전기차 사용 전에 꼭 알고 넘어가야 할 EV 배터리 수명에 대한 비밀

도요타가 밝혀낸 EV 배터리 수명 70% 연장하는 방법 

 

전기차에 있어서 1회 충전거리는 매우 중요한 세일즈 포인트입니다. 우리나라와 같이 좁은 땅떵어리에서는 그리 필요성을 느끼지 못하지만, 미국이나 중국, 브라질과 같이 넓을 국토를 소유한 곳에서는 필수적인 항목이라고 하겠습니다. 아직 충전인프라가 탄탄하지 못한 상태에서 혹시나 장거리여행 시 충전소를 지나치기라도 한다면 매우 난처한 상황을 맞이할 수 도 있기 때문입니다. 그래서 국내 전기차의 주행거리가 400 ~500km 수준인 반면 미국 등과 같은 시장에서는 600km 이상의 롱레인지 모델이 필수적이라 하겠습니다.
 

 
그런데 전기차의 주행거리 관련하여 우리가 간과하는 부분이 하나 있는데 그건 바로 배터리의 내구성입니다.
전기차의 충전거리는 사용된 배터리의 용량과 효율에만 관심을 쏟게 됩니다. 하지만 초기 충전용량이 우수하고, 효율이 우수한 케미스트리라고 하더라도 해당 배터리의 내구성에 문제가 생기면 결국 사용시간에 따라 주행거리 역시 감소하기 때문입니다. 
 
일반적으로 배터리 충전전압이 높고 고속으로 충전하게 되면 스트레스 상승으로 배터리의 수명이 단축된다고 알고 있습니다. 그런데 이번 도요타가 지원하고 있는 'SLAC-스탠퍼드 배터리센터' 연구원들의 연구결과는 기존에 우리가 알던 지식을 정면으로 뒤집고 있어서 관심을 끌고 있습니다.   
 
 
 

배터리 충전속도 빠른 게 오히려 수명에 좋아 

 

 

 
과학저널 'Joule'에 게재된 본 연구에 따르면 리튬이온 배터리를 처음 충전 할 때 초고속충전이 오히려 배터리 수명을 평균 50% ~ 70% 연장한다고 합니다. 첫 번째 충전 시 높은 전류가 배터리 수명을  평균 50% 연장시킨다는 것을 연구원들이 밝혀낸 것입니다. 
 
배터리 수명에 대해서 언급하기 위해서 우리는 리튬이 고체 전해질 계면 (SEI)를 형성하기 위해서 소모되는 과정에 이해가 필요합니다. 이 과정은 배터리의 수명을 결정하는 중요한 과정이기 때문입니다. 
EV를 처음 충전하기 전에 배터리 팩은 '포메이션'이라는 중요한 단계를 거치게 되는데, 이는 보통 배터리 생산공정 중 맨 마지막에 이루어집니다. 포메이션 과정은 배터리팩의 초기 충전 및 방전 주기를 조정하는 과정으로 배터리 팩을 안정화하고 셀 내부의 물질을 활성화시키는데 도움을 줍니다. 
 

 

 
이 배터리 포메이션 과정을 통해서 배터리의 수명 및 성능, 전반적인 품질 수준에 영향을 받게 되는데, 이를 테면 악기를 연주하기 전 정밀하게 조율하는 과정과 유사하다고 보면 이해가 쉬울 것 같습니다. 
 

리튬이온배터리음극의 SEI 레이어(출처.배터리 인사이드)

 

 
연구원들은 배터리 팩 포메이션 프로토콜 62개에 대해 186회의 충전 및 방전 주기를 실험하였습니다. 그 결과 첫 번째 충전주기에서 높은 전류가 주입되었을 때 기존의 충전방식이 리튬함량을 9% 감소시키는데 반해 고전류 주입 시 30%가량 감소하였습니다. 하지만 리튬손실을 통해서 음극표면의 형성되는 고체전해질계면(SEI, Solid Electrolyte Interphase)의 두께를 증가시키게 됩니다. 이 층은 시간이 지남에 따라 가속화되는 리튬의 손실로부터 음극을 보호하게 되는데 이를 통해 배터리 팩의 수명에 긍정적으로 작용하게 됩니다.  
 

정리해 보면 전기차 배터리 수명은 고체전해질계면(SEI)의 영향을 받게 되는데, 처음 충전 시 고전류를 주입할 경우 초기 리튬감소가 저전류 시 보다 크지만, 이는 고체전해질계면(SEI) 층의 두께를 증가시켜서 배터리 팩 수명을 유지하는데 도움을 준다는 것입니다. 

 

전기차 배터리 내구성 향상을 위해서 초기 충전은 고전압의 급속충전을 이용하는 게 좋은 것 같습니다.