자가발열 리튬이온 배터리, -42°C에서도 15분 급속 충전 — 4,500회 사이클·12년 수명

새로운 자가발열 배터리가 -42°C에서도 15분 만에 충전됩니다. 4,500회 충전 사이클을 견디며 용량 손실은 단 20%에 불과합니다. 이는 12년 배터리 수명 주기나 전기차 28만 마일 주행에 해당합니다.

급속 충전 인프라 경쟁과 추위 문제

대형 자동차 제조사들 사이에서 충전소의 전력과 급속 충전소 수를 늘리는 경쟁이 뜨겁습니다. 2017년 다임러, 폭스바겐, 포드, BMW는 2020년 말까지 유럽 전역에 400개 '초고속' 충전소를 구축하는 합작 투자를 결성했습니다. 한편 혼다는 2022년까지 15분 급속 충전 기능의 전기차를 출시할 계획입니다.

2018년 5월, 미국 에너지부는 충전 전력을 400kW까지 더 높이기 위한 첨단 배터리 및 전기화 연구 지원을 위해 1,900만 달러 자금을 발표했습니다.

기존 전기차는 극한 추위에서 급속 충전을 견디지 못합니다. 충전 중 리튬 도금(lithium plating) — 음극 주위에 금속 리튬이 형성돼 시간이 지나면 배터리 오작동을 일으키는 현상 — 위험이 증가하기 때문입니다.

기존 리튬 배터리는 10°C 아래에서 급속 충전할 수 없습니다. 어는 점 아래에서 충전하면 영구적 용량 손실과 내부 저항 증가를 초래합니다.

이제 펜실베이니아 주립대학교 연구진이 자가발열 기능으로 외부 온도와 관계없이 리튬 도금 없는 급속 충전을 가능하게 하는 배터리를 개발했습니다.

이 배터리들은 전기차를 15분 만에 충전할 수 있게 합니다 — 휘발유 주유와 거의 맞먹는 속도입니다. 충전소가 널리 설치되어 있다는 전제하에, 추운 지역에 사는 사람들에게 큰 안도가 될 것입니다. 주행 거리 불안을 덜고 걱정 없이 더 먼 거리를 갈 수 있습니다.

이전에는 과학자들이 자가발열로 영하 온도에서도 전력 소모가 없는 배터리 시스템을 만들었습니다. 이제 같은 기술을 적용해 -42°C를 포함한 모든 기상 조건에서 배터리를 급속 충전(15분)할 수 있게 했습니다.

작동 원리

새로 설계된 배터리에는 얇은 니켈 포일이 있습니다. 한쪽 끝은 셀의 음극 단자에 연결되고, 다른 쪽은 밖으로 연장되어 제3의 단자를 만듭니다. 회로를 완성하기 위해 온도 센서에 연결된 스위치가 있어, 온도가 20°C 미만일 때 전자가 니켈 포일을 통해 흐르도록 합니다.

전자 흐름은 니켈 포일에 저항 발열을 일으켜 배터리 내부 온도를 높입니다. 온도가 올라가면(20°C 이상), 스위치가 열려 전류가 배터리로 흘러 급속 충전이 이루어집니다.

이미지 출처: Chao-Yang Wang / Penn State

참조: PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Penn State

배터리가 이 모든 작업을 스스로 수행합니다. 사람의 개입이 필요 없습니다. 기존 충전소도 변경할 필요가 없습니다. 가열과 충전 간 전환은 충전기가 아닌 셀 내부에서 이루어집니다.

테스트 결과

프로토타입 테스트 결과는 인상적이었습니다. 연구진은 배터리 수명이 12년 이상, 또는 전기차 주행거리 28만 마일 이상에 해당함을 발견했습니다. 구체적으로, 배터리는 0°C에서 15분 급속 충전 4,500회를 견디며 용량 손실이 단 20%에 불과했습니다.

반면 기존 배터리는 어는 온도에서 단 50회 충전 만에 20% 용량 손실이 발생합니다. 이는 리튬 이온이 탄소 음극과 효율적으로 결합하는 대신, 과량의 금속 리튬이 음극 표면에 퇴적되기 때문입니다. 현재 10°C 이하에서는 완속 충전만이 이를 피할 수 있는 유일한 방법입니다.

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연구진에 따르면, 이 새로운 방법은 배터리 과학에서 충전 동역학과 방전을 분리하는 방법을 제공하며, 새로운 물질이나 화학 없이 충전을 향상시킵니다. 또한 온도 걱정 없이 더 진보된 배터리 소재를 구축할 플랫폼을 제공합니다.

응용 측면에서, 이 기술은 자동차 제조사들이 더 작고 가벼운 배터리를 사용하게 돕습니다. 또한 옥외 로봇, 전천후 스마트폰, 드론, 고고도 마이크로위성 등 다양한 전자기기와 장치를 가능하게 합니다.