[21′ Royal Society of Chemistry] Pathways towards managing cost and degradation risk of fast charging cells with electrical and thermal controls

1. 들어가며

리튬 이온 배터리의 세계에서, 특히 전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 세계에서 급속 충전 시간은 매우 중요한 요소입니다. 왜냐하면 기존 내연 기관차 대비 전기차의 가장 큰 불편함으로 꼽히는 특징이 바로 긴 충전시간이기 때문인데요. 하지만 단순히 충전 시간을 단축시키는 것만이 전기차의 미래를 결정지을 수는 없습니다. 안전하고 효율적인 충전 과정을 구현하는 것이 더욱 중요합니다. 충전 시간을 내연 기관차의 연료 주입 시간인 5분 내외로 줄일 수만 있다면 전기차 구매의 가장 큰 저항 요소를 제거하는 셈이죠. 이러한 이유로 배터리와 전기차 제조사에서는 리튬 이온 배터리의 급속 충전 시간을 줄이는 기술 개발에 사활을 걸고 있는데요. 충전 과정에서 발생할 수 있는 다양한 문제점들, 특히 과열과 리튬 석출 같은 문제들을 해결하고자 하는 노력이 함께 진행되고 있습니다.

이번 포스팅에서는 3D Thermal Model과 1D Electrochemical Model을 사용하여 안전하면서도 충전 시간을 개선할 수 있는 방법에 대한 논문을 리뷰합니다. 이러한 최신 연구는 급속 충전의 가능성을 탐색하면서도 안전성을 최우선으로 고려한 접근 방식을 제시하며, 전기차의 대중화를 가속화하는 데 필수적인 기술적 발전을 이끌고 있습니다.

2. 급속 충전시 발생하는 문제점

보통 충전 시간을 줄이기 위해서는, 즉 급속 충전을 하기 위해서는 배터리에 인가되는 전류를 높여줘야 하는데요. 이 과정에서 보통 두 가지 문제점이 동반됩니다. 첫 번째는 고온의 열이 발생한다는 것이구요, 두 번째는 리튬이 석출된다는 것입니다. 각각의 문제점을 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.

먼저 리튬 이온 배터리에서 고온의 온도가 주는 문제점을 생각해보겠습니다.
첫 번째 문제는 전해질 분해 문제입니다. 고온의 조건은 배터리 내부 전해질의 열 분해를 가속하는데요. 이렇게 전해질이 열 분해 되게 되면 배터리 성능 저하 뿐만 아니라 가연성 가스 발생으로 인해 화재, 폭발 등의 안전성 문제를 유발할 수 있습니다.
두 번째 문제는 양음극 재료의 열적 분해 문제입니다. 고온 조건은 전해질 뿐만 아니라 양극 및 음극 재료의 열적 안정성에 영향을 줍니다. 이는 마찬가지로 양음극 재료의 분해 및 배터리 성능 저하로 이어질 수 있습니다.
세 번째 문제는 내부 저항 증가 문제입니다. 고온 조건으로 인해 배터리 내부 저항이 증가하게 되는데요. 이렇게 되면 충방전 효율이 떨어지게 됩니다.

다음으로는 리튬 석출 문제에 대해 생각해보겠습니다. 먼저 리튬이 석출되는 이유를 살펴봐야 하는데요. 이를 위해서는 리튬 이온 배터리의 충방전 과정을 분자 단위에서 생각해봐야 합니다. 양극의 리튬 이온은 음극의 Graphite로 이동하는 과정을 ‘충전’ 과정이라고 하는데요. 이렇게 음극의 Graphite로 이동한 리튬 이온은 Graphite 층 사이의 공간에 들어가게 됩니다. 그런데 문제는 급속 충전을 위해 과도한 전류를 인가할 때 발생하는데요. 고전류가 인가되면 리튬 이온의 이동 속도가 빨라집니다. 음극의 Graphite로 너무 많은 리튬 이온이 한꺼번에 이동하게 되면 미처 Graphite 층 사이 공간으로 이동하지 못한 리튬 이온이 생기게 되는데요. 이들 리튬 이온은 Graphite 층 사이로 들어가지 못하고 음극 표면에서 리튬 금속으로 석출되게 됩니다.

이렇게 음극 표면에서 금속 리튬이 석출되게 되면 최소한 세 가지 문제점이 발생합니다.
첫 번째는 배터리 용량 및 수명 저하입니다. 리튬 이온 배터리의 전기 용량은 당연히 리튬 이온의 양에 의해 결정되는데요. 리튬 이온이 석출되어 더이상 이온으로 이동하지 못하게 되면 배터리 용량이 떨어지게 됩니다.
두 번째는 안전성 문제입니다. 리튬이 금속으로 석출되면 양극과 음극 사이를 연결해줄 수 있게 되는데요. 이렇게 양극과 음극이 연결되면 내부 단락이 발생해 과열로 인한 화재 발생 가능성이 커집니다.
세 번째는 배터리 성능 저하입니다. 리튬이 금속으로 석출되어 배터리 내부 전하 분포를 불균형하게 만드는데요. 이로 인해 배터리 성능 저하가 발생합니다.

3. Active Thermal Management

이러한 문제를 해결하기 위해서는 충전을 위한 전류를 ‘적절히’ 조절하여 과열과 리튬 석출을 방지해줘야 합니다. 그렇다고 너무 적은 전류를 인가하면 충전 속도가 느려지겠죠. 따라서 적절한 전류량을 조절하는것이 핵심 포인트라고 할 수 있습니다. 이번 논문에서는 이를 위한 Active Thermal Management 방법을 제안하는데요. 말 그대로 열 관리를 Active하게, 그때 그때 상황에 맞는 적절한 관리를 하겠다는 의미입니다.

이를 위해 두가지 모델을 사용할건데요.
첫 번째는 1D 전기화학 모델입니다. 이 모델은 리튬 이온 배터리의 상태를 표현하는 모델로, 널리 사용되는 모델입니다. 배터리 충전 과정에서 발생하는 전기화학 반응을 시뮬레이션 하는 역할을 수행합니다. 1D 전기화학 모델은 배터리의 충전 상태, 전압, 전류, 리튬 석출 발생 위험 정도를 계산하여 배터리의 전기화학적 안전성을 보장하면서도 충전 속도를 최대화할 수 있도록 해줍니다.

두 번째는 3D 열 모델입니다. 열은 충방전 과정에서 제어해줘야 하는 핵심 요소중 하나인데요. 이를 표현하기 위해 3D 열 모델을 사용합니다. 물론 배터리의 온도는 온도 센서를 통해 실시간으로 모니터링 합니다만, 배터리 내외부 모든 포인트를 직접 측정하는걸 실질적으로 불가능하다고 할 수 있습니다. 따라서 3D 열 모델을 사용하여 대략적인 열 분포를 시뮬레이션 할 필요가 있습니다.

이렇게 두개 모델을 사용하여 총 세 가지의 주요 파라미터를 컨트롤 할 겁니다.
첫 번째 파라미터는 최대 허용 온도 (Tmax) 입니다. 이는 배터리에 허용되는 최고 온도로, 배터리의 온도를 실시간으로 측정하여 셀 온도가 Tmax에 근접하면 충전 전류를 감소 시키거나 쿨링 시스템을 활성화하여 온도 상승을 억제해줄 겁니다.
두 번째 파라미터는 최소 과전압(ZPP) 입니다. 이 파라미터는 리튬 석출을 방지하기 위한 파라미터로, 충전 전압이나 전류가 ZPP 값을 초과하여 리튬 석출 위험이 감지되면, 충전 전류를 줄여 리튬 석출을 방지할 겁니다.
세 번째 파라미터는 최대 허용 충전 전류(Ilim)입니다. 이 파라미터는 배터리가 안전하게 처리할 수 있는 최대 충전 전류로, 충전 전 과정에서 Ilim이 넘지 않도록 전류를 제어할 겁니다. 급속 충전을 위해서는 고전류를 인가해줘야 하므로 온도, 리튬 석출 파라미터 등이 안전 범위 내에 있을 때는 최대한 Ilim 근처까지 전류를 높여 충전해줄 겁니다.

4. Results

이번에는 다양한 충전 전략을 사용한 실험 결과를 통해 제안 방법이 얼마나 안전하고 빠르게 배터리를 충전했는지 살펴보겠습니다.

이번 실험에서 사용할 열 관리 전략은 총 네 가지 입니다.
첫 번째는 ZTM no T limit (Zero Thermal Management with no Temperature Limit) 입니다. 이는 열 관리를 전혀 하지 않는 전략입니다. 따라서 충전 과정에서 배터리 온도가 자유롭게 상승할 수 있으며, 이로 인한 과열로 인해 위험이 증대됩니다. 이 전략은 모든 위험을 감수하고 가장 빨리 충전하는 전략으로 Upper Bound값으로 볼 수 있습니다.
두 번째는 ZTM (Zero Thermal Management) 입니다. 이는 열 관리 시스템을 사용하지는 않지만, 최대 온도 제한은 걸어 놓은 상태입니다. 따라서 고전류로 인해 배터리 온도가 임계값에 도달할 경우 충전을 중단하거나 전류를 줄여 온도 상승을 제한하는 전략 입니다.
세 번째는 CTM (Constant Thermal Management) 입니다. 이는 충전 과정 전반에 걸쳐 일정한 냉각을 제공하여 온도를 일정하게 관리하는 전략입니다. 최대 허용 온도 제한을 걸어놓고 이를 초과하지 않도록 냉각 시스템을 가동해주는 방법입니다. 이는 충전 속도보다는 안전성을 중요시 하는 충전 전략으로 Lower Bound 값으로 볼 수 있습니다.
네 번째는 ATM (Active Thermal Management) 입니다. 이는 논문에서 제안하는 방법으로, 배터리의 온도를 실시간으로 측정하면서 온도가 임계값에 다다르면 냉각 시스템을 활성화하여 과열을 방지하는 방법입니다. 필요에 따라 냉각 시스템 온오프를 동적으로 조절하여 배터리 온도를 효율적으로 관리한다는 장점이 있습니다.

위 그래프는 충전 상태에 따른 Max/min 배터리 셀 온도를 보여주고 있습니다. ZTM no T Limit은 계속해서 전류를 인가하여 온도가 지속적으로 상승하는 모습을 보여줍니다. ATM 전략은 적절한 범위 내에서 잘 관리되는 모습을 볼 수 있습니다.

위 그림은 충전 상태에 따른 충전 전류를 보여줍니다. ATM과 ZTM no T Limit은 거의 동일한 전류값을 보여주고 있는데요. 마지막 부분에서 ATM 전략은 전류값을 내려 위험을 회피하는 모습을 보여줍니다.

위 그림은 충전 상태에 따른 리튬 석출 전위를 보여줍니다. 값이 클 수록 리튬이 석출 될 가능성이 크다고 이해하면 되는데요. CTM 보다는 높지만, ZTM 보다는 낮은 전위 상태에 머무는 모습을 볼 수 있습니다.

마지막으로 최종 성능인 충전 시간입니다. ATM의 충전 시간은 ZTM no T Limit과 거의 동일한 급속 충전 시간을 보여주는데요. ZTM no T Limit 전략은 모든 위험을 무릎쓰고 최대한 빨리 충전한 방식임을 고려해보면 ATM 전략은 안전하면서도 빠르게 충전한 전략이라고 할 수 있습니다.

5. 마치며

이번 리뷰를 통해 살펴본 논문은 리튬 이온 배터리의 급속 충전 문제를 해결하기 위한 혁신적인 접근 방식을 제시합니다. 3D 열 모델과 1D 전기화학 모델을 활용한 Active Thermal Management (ATM) 방법은 충전 속도를 크게 향상시키면서도 배터리의 안전성과 수명을 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 연구는 전기차 사용자들이 가장 크게 느끼는 불편함 중 하나인 긴 충전 시간을 해결함으로써 전기차의 대중화와 지속 가능한 미래로의 전환에 크게 기여할 잠재력을 지니고 있습니다.

이번 논문 리뷰를 통해 드러난 바와 같이, 급속 충전 과정에서의 과열 및 리튬 석출 문제는 단순히 전류를 높이는 것만으로는 해결될 수 없습니다. 오히려 정교한 전략과 첨단 모델링 기법이 필요함을 깨닫게 됩니다. ATM 같은 기술적 접근 방식은 이러한 문제를 해결하면서도 충전 효율을 최대화하는 방법을 제공합니다. 이는 배터리 기술의 미래 발전 방향을 가리키며, 이 분야의 연구자들과 엔지니어들에게 큰 영감을 줍니다.

전기차 시장의 지속 가능한 성장과 환경에 미치는 긍정적인 영향을 고려할 때, 이와 같은 연구는 매우 중요합니다. 안전하고 효율적인 급속 충전 기술은 전기차가 내연 기관 차량에 대한 실질적이고 지속 가능한 대안으로 자리잡는 데 결정적인 역할을 할 것입니다. 이 논문은 그 가능성을 탐색하는 중요한 단계를 마련하였으며, 이 분야의 미래 연구와 기술 개발에 대한 방향성을 제시합니다.

이처럼, 리튬 이온 배터리의 급속 충전과 관련된 연구는 단순한 기술적 도전을 넘어서, 우리의 이동 수단과 에너지 사용 방식을 혁신적으로 변화시킬 잠재력을 지닙니다. 우리가 전기차와 재생 가능 에너지를 통해 더욱 지속 가능한 미래로 나아가고자 한다면, 이러한 연구의 가치와 중요성은 계속해서 강조될 것입니다.

6. 참고자료

1. Song, Juhyun, et al. “Pathways towards managing cost and degradation risk of fast charging cells with electrical and thermal controls.” Energy & Environmental Science 14.12 (2021): 6564-6573.