리튬이차전지의 안전한 사용을 위해 가장 중요한 기술 중 하나는 ‘열 관리’다. 온도가 지나치게 높아지거나 낮아지게 되면 전지의 성능이 더 빠르게 저하되기 때문이다. 그러나 현행 ‘열 관리 시스템’은 전지의 초기 특성에 따라 설계되고 있어 장기간 사용하면서 성능이 저하된 전지의 특성은 반영하지 못하고 있다.
이에 연구팀은 리튬이차전지의 장기 충·방전 과정이 수명과 발열 문제에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 배터리 화재까지 예측할 수 있는 기술을 개발했다. 충격 등 외부 요인이나 제조사 결함이 없는 정상적인 전지라도 체계적인 열 관리 없이 장기간 사용하면 사고에 이를 수 있다는 것을 과학적으로 밝혀낸 것이다.
이번 연구는 리튬이차전지 중 가장 많이 생산되는 원통형 전지(2.85Ah)를 대상으로 이뤄졌다. 다양한 충·방전 조건에서 1,000회 이상 실험해 얻은 170만여 건의 시계열(time-series) 데이터를 분석한 결과다.
전지의 사용 횟수에 따른 저장 용량 변화를 단순한 수치로만 제시했던 기존 연구들과는 달리, 충·방전 속도가 배터리 수명과 발열 특성에 미치는 영향을 통계학적으로 정확하게 분석한 것은 세계 최초다.
연구팀은 더 나아가 이러한 데이터를 시각화하고 통계 처리할 수 있는 ‘파이선(python)’ 프로그램을 자체 개발해 배터리의 장기 성능을 분석하는 데도 성공했고, 상용 소프트웨어 프로그램과 연계해 시뮬레이션까지 할 수 있는 기반까지 마련했다.
이를 통해 대다수 국민들이 사용하는 스마트폰은 물론, 밀폐된 환경에서 수백~수천 개의 전지를 밀집해 사용하는 전기차와 ESS까지 안전성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
KERI 하윤철 박사는 “그동안 ‘2년 이상 사용한 기기는 신형 스마트폰보다 발열이 더 많이 발생할 것’이라고 경험적인 추측에만 머물렀다면, 우리의 성과는 통계 분석 및 전산 해석 기법을 통해 문제 원인을 과학적으로 밝혀냈다는 것에 의의가 있다”면서 “꾸준한 연구를 통해 파우치형/캔형 등 다양한 형태의 전지를 안정적으로 운용하는 데 도움을 줄 수 있는 기술 개발에 매진하겠다”고 전했다.
이번 연구결과는 우수성을 인정받아 전기화학 분야 세계적 학술지인 ‘저널 오브 파워소스(Journal of Power Sources)’ 5월호에 게재됐다.(JCR 상위 11.4%, IF=9.127) 한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 KERI 기본사업, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업 및 산업통상자원부 PCS 경쟁력 강화 핵심기술개발사업으로 진행됐다.
이혜림 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr
