1. Battery를 오래 유지하는 사용법
Q : Battery를 풀충전이나 급속충전 또는 사용하면서 충전하는 것이 Battery에 좋지 않은 이유는?
A : Battery이 충전과 방전을 활물질(양극, 음극) 안으로 이온이 나가거나 들어오는 현상으로 설명할 수 있습니다. 이온이 들어오면 활물질의 체적은 팽창하고, 반대로 빠져나오면 수축합니다. 한편으로 활물질은 양극에서는 알루미늄박, 음극에서는 동박 같은 집전 간극 각각의 표면에 도포되어 있으면서 집전 전극과 일체의 층을 이룹니다. 이 집전 전극에서는 이온이 출입하지 않기 때문에 팽창과 수축은 없습니다. 그래서 활물질 부분만 수축 팽창으로 인해 변형이 생기고 이것이 반복되면 결국 집전 전극과 활물질의 박리 및 집전 전극이나 활물질의 Crack이 생기면서 서서히 범위가 확대됩니다.
이온 교환의 결과, 전기가 발생하는 활물질과 그 전기를 모으는 집전 전극 사이의 접촉 면적이 줄어드는, 즉 "전기가 지나가는 길이 좁아져" Battery 내부 저항이 높아지면서 전기가 흐르기 어려워집니다. 이것이 Battery가 열화 되는 Mechanism의 하나로, 이런 상황은 되도록 피하는 것이 Battery를 오래 쓸 수 있는 방법입니다. 구체적으로는 풀충전과 과방전을 하지 않는 것입니다. 접전 전극과 활물질의 변형은 충전 상태에 비례하므로 최대, 최소가 되는 영역을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 또 급속충전도 급격한 변형을 불러오기 때문에 좋지 않습니다. 차가운 유리컵에 뜨거운 물을 갑자기 부으면 급격한 체적 변화로 인해 변형이 일부분에 집중되면서 깨지는 현상과 비슷합니다.
2. Battery의 열화
Q : Battery가 열화의 의미는? 부품의 마모와 같은 뜻인가요?
A : Li-ion Battery 가 열화되는 원인 가운데 하나가 활물질의 팽창과 수축에 따른 전극 부분의 박리나 크랙이 진행되어 내부저항이 커지는 것입니다. 덧붙이자면 여기에는 이온 교환뿐만 아니라 열에 따른 Battery의 팽창도 영향을 끼칩니다. 그리고 또 한 가지 열화 원인은 전해액의 전기분해입니다. 사실은 납축 Battery나 Li-H2 Battery도 전기 분해는 일어나기 때문에 수소와 산소가 나오지만, 촉매에 붙기도 하도 또 물로 바뀌기도 합니다. 그런데 Li-ion Battery는 복잡한 유기용매라서 분해가 되면 원래대로 돌아가지 않습니다. Li-ion Battery는 최대 충전으로 4.2V 정도에서 더 높아지면 전기분해가 일어납니다. 물론 그렇게 되지 않도록 충전을 제어하지만, 그 전압 범위 안에서도 온도가 높아지면 전기 분해가 일어나는 경우가 있습니다. 예전 Battery는 부풀기도 했지만, Li-ion Battery는 그런 상태가 되면 더 이상 사용하지 못합니다.
3. Battery Cell의 열화에는 왜 편중 현상이 발행하는지?
Q : 열화 된 Battery Unit을 분해해 각 셀의 전압이나 용량을 측정해 보면, 심하게 열화 된 셀은 일부에 지나지 않고 대개의 Cell은 재이용이 가능합니다. 그런데 똑같은 Cell을 모아놓은 집합이라면 전부다 열화가 진행되어야 하는데, 왜 일부 Cell만 열화가 집중될까요?
A1 : 여러 이유가 있겠지만, 주원인은 각 Cell의 온도가 다르다는 점입니다. 예를 들면 많은 Cell을 일렬로 배열한 Package에서는 끝이 쉽게 차가워지고 가운데 부분은 잘 차가워지지 않는 경향이 있습니다. 또 제조할 때의 편차로 인해 개별 Cell마다 발열이 고르지 못한 경우도 있습니다. 거기에 일부 Cell의 열화로 인해 용량이 줄어들면 그만큼 State of Charge가 외관상 커지기 때문에 최대 충전이 빨리 됩니다. 그러면서 손상된 부분이 더 손상되는 악순환이 일어납니다. 그래서 테슬라는 소형 원통형 Battery를 병렬로 사용하는데, 이것은 대량생산한 균질한 Cell을 이용함으로써 특성의 편차를 억제하기 위함입니다.
A2 : Battery Unit을 보호하기 위해서 Cell안에 퓨즈가 들어갑니다. 이로써 어떤 이상이 발생해서 과전류가 흐른 Cell이 있으면 그 Cell을 분리해 발열이나 발화를 방지합니다. 병렬수가 많기 때문에 몇 개 정도는 분리해도 Battery 용량에 큰 영향을 끼지치 않겠지만, 오랫동안 사용했을 때는 그 부분의 병렬 수가 적기 때문에 부담률이 올라가 열화 속도가 가속된다고 할 수 있습니다.
4 Li-ion Battery를 차량에 탑재하는 이유
Q1 : Battery에 진동이나 중력이 가해지면 파손되지 않을까요?
A1 : 중력에 대해서는 파손되지 않는 한 괜찮습니다. 전해액의 쏠림에 대해서는 검증하고 있습니다. 충돌할 때는 Battery Pack에 변형이 발생하므로 Battery Module끼리 연결되는 단자가 벗겨지지 않도록 하는 문제를 포함해 진동 대책등도 고려하면서 설계합니다.
Q2 : Li-ion Battery를 차량용으로 사용할 때 기본적인 대책은 어떤 것이 있을까요?
A2 : Li-ion Battery를 차량에 탑재할 때의 장애물은 온도입니다. 내연기관과 비교하면 사용에 적합한 온도 범위가 훨씬 낮기 때문에 엔진 같이 80~100도에서는 사용하지 못하지만, 저위도 지역 등의 온도가 50도임을 고려하면 꽤나 혹독한 환경입니다.
A3 : 충돌 안전성을 고려하고 있습니다. Battery는 예전부터 화재 발생의 문제가 해결 과제 가운데 하나였기 때문에, 충돌했을 때 얼마만큼 Battery를 지킬 수 있느냐가 가장 어렵습니다. 전기끼리 부딪쳐서 변형되면 발화로 이어지므로 그것 만큼은 피해야 합니다.
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