리튬 배터리 수명 연장 방법
- 에너지 / 문광주 기자 / 2024-09-05 20:31:56
3'00" 읽기
- 몇 년 지나면 음극에 리튬 침전물이 전하 교환을 점점 더 방해해 충전 용량이 감소
- 처음 충전할 때 전압이 높을수록 리튬 이온 배터리의 용량 손실이 느려진다.
- 고전압으로 포맷하면 상당한 부반응이 발생하지만 이로 인해 사이클 수가 최대 70% 증가
리튬 이온 배터리는 오늘날 거의 필수 불가결하다. 휴대폰, 노트북, 심지어 전기 자동차에도 사용된다. 그러나 이러한 배터리도 영원히 지속되지는 않는다. 몇 년이 지나면 음극에 리튬 침전물이 내부 전하 교환을 점점 더 방해하기 때문에 충전 용량이 감소한다. 따라서 소위 SEI(고체 전해질 인터페이스)의 개발은 배터리의 수명에 중요한 역할을 한다.
첫 번째 로드가 중요
배터리 수명에서 중요한 단계는 판매되기 전에 발생한다. 즉, 공장에서 처음으로 충전된다. 이를 배터리 포맷이라고 한다. 이는 첫 번째 SEI 층의 제어된 형성을 유발하며, 이는 양극에 대한 추가 증착을 가능한 한 늦추도록 의도된 것이다. 주저자인 Stanford University의 Xiao Cui는 "포맷은 제작 과정의 마지막 단계다"며 "잘못되면 그 시점까지 배터리에 투입된 모든 작업과 에너지가 낭비된다"고 설명했다.
지금까지 리튬 이온 배터리 포맷은 저전압에서 천천히 진행되었다. 초기에 존재하는 리튬의 약 9%가 SEI 층에 침착되므로 더 전하 교환에 사용할 수 없다. 그러나 이러한 초기 침전물은 추가 침전물로부터 양극을 보호하므로 이전 가정에 따르면 배터리의 노화가 느려진다.
거꾸로 된 (배터리) 세상
그러나 놀라운 점은 Cui와 그의 팀이 이제 정반대의 결과를 입증하고 있다는 것이다. 실험을 위해 그들은 새로 생산된 186개의 리튬 이온 배터리를 다양한 방법으로 포맷했다. 전체적으로 그들은 충전 전압, 지속 시간, 온도 등 62가지 다양한 요인 조합에 배터리를 노출시켰다. 그런 다음 충전 용량이 임계값 아래로 떨어지기 전에 배터리가 지속된 주기 수를 테스트했다. 그들은 또한 SEI 층의 상태를 조사했다.
결과는 일반적인 기대와 상반되었다. 이전에는 포맷 중에 유해하다고 간주되었던 조건(높은 충전 전압 및 고온)이 유익한 것으로 나타났다. Cui와 그의 동료들은 "놀랍게도 첫 번째 충전 시 높은 전압으로 인해 배터리 수명이 평균 50% 연장된다"고 말했다. 포맷 온도를 55도로 높여 배터리 수명도 늘렸다.
"기존 통념에 따르면 너무 높은 포맷 온도는 전해질을 손상시키고, 너무 빨리 포맷하면 리튬 침착을 촉진해 배터리 수명을 단축시킨다. 따라서 이러한 결과는 예상치 못한 결과다"고 연구진은 썼다.
장기적으로 유익한 결과를 가져오는 부작용
하지만 그 뒤에 무엇이 있을까? 면밀한 분석에 따르면 높은 초기 전압은 실제로 다소 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 더 두꺼운 SEI 층을 생성하고 그 안에 있는 리튬의 약 30%를 부동(不動)화 시킨다. 이전의 경우와 달리 단지 퍼센트만 부동화한다. 그러나 장기적으로는 이전에 간과되었던 또 다른 효과가 작용한다. "터보" 포맷 중에 양극 주변 영역에서 더 많은 리튬이 SEI 층에 통합되기 때문에 이제 발생하는 반응에 사용할 수 있는 리튬의 양이 줄어든다.
결과적으로 배터리에 유해한 침전물이 형성되는 속도가 느려진다. “고전압으로 포맷하면 상당한 부반응이 발생하지만 이로 인해 사이클 수가 최대 70% 증가한다”고 연구원은 설명했다. 이는 리튬의 더 큰 초기 손실을 보상한다. 포맷 중 온도 상승은 두 번째 긍정적인 효과를 가져온다. 즉, SEI 레이어의 구조를 개선하는 반응을 촉진한다.
배터리 최적화 기회
Cui와 그의 팀에 따르면, 이러한 발견은 리튬 이온 배터리의 생산 및 최적화에 있어 실질적인 중요성이 매우 크다고 한다. Cui는 “배터리 생산에는 많은 에너지, 시간 및 자본이 필요하므로 완전히 새로운 배터리 설계를 개발하는 것도 그만큼 복잡하다”고 말했다. 따라서 단순히 포맷을 변경하여 배터리를 최적화하는 기능은 더욱 중요하다.
공동 저자인 토요타 연구소(Toyota Research Institute)의 스티븐 토리시(Steven Torrisi)는 “우리는 지금 배운 내용을 미래에 개발되는 새로운 공정과 다른 유형의 배터리에 적용할 수도 있을 것이다”고 덧붙였다.
참고: Joule, 2024; doi: 10.1016/j.joule.2024.07.024)
출처: DOE/ SLAC National Accelerator Laboratory
- 몇 년 지나면 음극에 리튬 침전물이 전하 교환을 점점 더 방해해 충전 용량이 감소
- 처음 충전할 때 전압이 높을수록 리튬 이온 배터리의 용량 손실이 느려진다.
- 고전압으로 포맷하면 상당한 부반응이 발생하지만 이로 인해 사이클 수가 최대 70% 증가
간단한 방법으로 배터리 수명 연장
처음 충전할 때 전압이 높을수록 리튬 이온 배터리의 용량 손실이 느려진다.
놀라운 발견:
매우 간단한 조치를 통해 리튬 이온 배터리의 수명을 50% 이상 연장할 수 있다. 이를 위해 연구원들은 배터리의 첫 번째 충전(소위 포맷)이 비정상적으로 높은 전압으로 수행되어야 한다는 사실을 발견했다. 이 조치는 처음에는 더 많은 리튬 침착을 유발하지만, 나중에는 배터리의 전기화학적 노화를 크게 늦춘다고 팀이 "Joule" 저널에 보고했다.
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| ▲ 리튬 이온 배터리는 공장에서 처음으로 충전된다. 이 포맷은 이후 배터리 수명에 매우 중요하다. © Greg Stewart/ SLAC National Accelerator Laboratory |
리튬 이온 배터리는 오늘날 거의 필수 불가결하다. 휴대폰, 노트북, 심지어 전기 자동차에도 사용된다. 그러나 이러한 배터리도 영원히 지속되지는 않는다. 몇 년이 지나면 음극에 리튬 침전물이 내부 전하 교환을 점점 더 방해하기 때문에 충전 용량이 감소한다. 따라서 소위 SEI(고체 전해질 인터페이스)의 개발은 배터리의 수명에 중요한 역할을 한다.
첫 번째 로드가 중요
배터리 수명에서 중요한 단계는 판매되기 전에 발생한다. 즉, 공장에서 처음으로 충전된다. 이를 배터리 포맷이라고 한다. 이는 첫 번째 SEI 층의 제어된 형성을 유발하며, 이는 양극에 대한 추가 증착을 가능한 한 늦추도록 의도된 것이다. 주저자인 Stanford University의 Xiao Cui는 "포맷은 제작 과정의 마지막 단계다"며 "잘못되면 그 시점까지 배터리에 투입된 모든 작업과 에너지가 낭비된다"고 설명했다.
지금까지 리튬 이온 배터리 포맷은 저전압에서 천천히 진행되었다. 초기에 존재하는 리튬의 약 9%가 SEI 층에 침착되므로 더 전하 교환에 사용할 수 없다. 그러나 이러한 초기 침전물은 추가 침전물로부터 양극을 보호하므로 이전 가정에 따르면 배터리의 노화가 느려진다.
거꾸로 된 (배터리) 세상
그러나 놀라운 점은 Cui와 그의 팀이 이제 정반대의 결과를 입증하고 있다는 것이다. 실험을 위해 그들은 새로 생산된 186개의 리튬 이온 배터리를 다양한 방법으로 포맷했다. 전체적으로 그들은 충전 전압, 지속 시간, 온도 등 62가지 다양한 요인 조합에 배터리를 노출시켰다. 그런 다음 충전 용량이 임계값 아래로 떨어지기 전에 배터리가 지속된 주기 수를 테스트했다. 그들은 또한 SEI 층의 상태를 조사했다.
결과는 일반적인 기대와 상반되었다. 이전에는 포맷 중에 유해하다고 간주되었던 조건(높은 충전 전압 및 고온)이 유익한 것으로 나타났다. Cui와 그의 동료들은 "놀랍게도 첫 번째 충전 시 높은 전압으로 인해 배터리 수명이 평균 50% 연장된다"고 말했다. 포맷 온도를 55도로 높여 배터리 수명도 늘렸다.
"기존 통념에 따르면 너무 높은 포맷 온도는 전해질을 손상시키고, 너무 빨리 포맷하면 리튬 침착을 촉진해 배터리 수명을 단축시킨다. 따라서 이러한 결과는 예상치 못한 결과다"고 연구진은 썼다.
장기적으로 유익한 결과를 가져오는 부작용
하지만 그 뒤에 무엇이 있을까? 면밀한 분석에 따르면 높은 초기 전압은 실제로 다소 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 더 두꺼운 SEI 층을 생성하고 그 안에 있는 리튬의 약 30%를 부동(不動)화 시킨다. 이전의 경우와 달리 단지 퍼센트만 부동화한다. 그러나 장기적으로는 이전에 간과되었던 또 다른 효과가 작용한다. "터보" 포맷 중에 양극 주변 영역에서 더 많은 리튬이 SEI 층에 통합되기 때문에 이제 발생하는 반응에 사용할 수 있는 리튬의 양이 줄어든다.
결과적으로 배터리에 유해한 침전물이 형성되는 속도가 느려진다. “고전압으로 포맷하면 상당한 부반응이 발생하지만 이로 인해 사이클 수가 최대 70% 증가한다”고 연구원은 설명했다. 이는 리튬의 더 큰 초기 손실을 보상한다. 포맷 중 온도 상승은 두 번째 긍정적인 효과를 가져온다. 즉, SEI 레이어의 구조를 개선하는 반응을 촉진한다.
배터리 최적화 기회
Cui와 그의 팀에 따르면, 이러한 발견은 리튬 이온 배터리의 생산 및 최적화에 있어 실질적인 중요성이 매우 크다고 한다. Cui는 “배터리 생산에는 많은 에너지, 시간 및 자본이 필요하므로 완전히 새로운 배터리 설계를 개발하는 것도 그만큼 복잡하다”고 말했다. 따라서 단순히 포맷을 변경하여 배터리를 최적화하는 기능은 더욱 중요하다.
공동 저자인 토요타 연구소(Toyota Research Institute)의 스티븐 토리시(Steven Torrisi)는 “우리는 지금 배운 내용을 미래에 개발되는 새로운 공정과 다른 유형의 배터리에 적용할 수도 있을 것이다”고 덧붙였다.
참고: Joule, 2024; doi: 10.1016/j.joule.2024.07.024)
출처: DOE/ SLAC National Accelerator Laboratory
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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