배터리 노화에 대한 궁극적인 가이드

많은 운송 및 에너지 서비스 제공업체는 배터리의 수명과 최적의 성능을 보장하는 것을 최우선 과제로 삼고 있습니다. 배터리 노화를 더 잘 이해함으로써 배터리 수명을 연장하는 방법을 배울 수 있습니다.

기사 | ACCURE 배터리 인텔리전스

이 기사에서는 리튬 이온 배터리 노화와 관련된 많은 새로운 용어를 소개합니다. 모든 사람이 배터리 전문가는 아니기 때문에 배터리 노화라는 주제를 쉽게 이해하는 데 도움이 되는 몇 가지 기본 용어를 설명하겠습니다.

핵심 용어

정의

배터리 노화는 매우 복잡하고 비선형적이며 많은 매개변수의 영향을 받습니다. 예를 들어, 배터리를 사용하지 않아도 수명이 다하는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 일반적으로 배터리는 사용하면 더 빨리 노화됩니다. 복잡성을 관리하기 위해 노화를 달력, 순환 및 가역적 노화의 세 가지 버킷으로 나누는 것이 일반적인 관행입니다.

배터리가 노화되면 다양한 노화 메커니즘이 동시에 발생합니다. 각 노화 메커니즘은 배터리 동작에 영향을 미칩니다. 영향은 용량과 내부 저항이라는 두 가지 성능 매개변수로 나눌 수 있습니다.

배터리는 노후되면 용량이 감소합니다. 전기 자동차의 경우 용량이 감소한다는 것은 EV가 재충전을 위해 멈추지 않고는 예전처럼 주행할 수 없다는 것을 의미합니다. 고정식 에너지 ​​저장의 경우 이는 배터리가 더 적은 에너지를 저장할 수 있으므로 수익이 더 적다는 것을 의미합니다. 용량이 얼마나 빨리 감소하는지는 배터리 유형, 충전 및 방전 속도, 노출된 온도, 사이클 횟수 등 다양한 요인에 따라 달라집니다.

리튬 이온 배터리의 노화를 살펴보면 노화 추세는 그림 1과 같이 대략 3단계로 나눌 수 있습니다.

그림 1: 배터리 노후화 - 일반적인 배터리 용량 수명주기‍

용량 손실과 달리 배터리의 내부 저항은 시간이 지남에 따라 증가하며 이는 반대로 전력 감소로 이어집니다. 이는 특히 하이브리드 전기 자동차(HEV)와 관련이 있습니다. HEV의 내부 저항이 증가하면 이전처럼 빠르게 가속할 수 없으며 제동으로 더 적은 에너지를 회수할 수 있습니다. 고정식 저장 운영업체의 경우 이는 효율성과 전력 용량 감소를 의미합니다.

리튬 이온 배터리 노화의 주요 원인은 SEI(Surface Electrolyte Interphase)의 성장입니다. SEI 층은 일반적으로 형성 사이클이라고 하는 첫 번째 충전 사이클 동안 음극에 형성됩니다. SEI는 시간이 지남에 따라 두꺼워지며 주로 전해질 화학 및 활물질의 기계적 응력에 의해 영향을 받습니다. SEI는 일반적으로 양극에 형성되며, 대부분 흑연으로 만들어지며 때로는 실리콘과 혼합됩니다.

표면 전해질 간기(Surface Electrolyte Interphase)가 성장함에 따라 리튬과 결합합니다. 결과적으로 충전 및 방전 반응에 참여하는 리튬 이온이 줄어들고 배터리 용량이 감소합니다. 리튬 이온은 배터리가 충전 및 방전될 때에도 SEI 층을 통과합니다. SEI가 두꺼울수록 이온이 SEI를 통과하기가 더 어려워집니다. 이것이 내부 저항이 증가하는 이유입니다. SEI는 배터리가 오래됨에 따라 증가합니다.

SEI 성장 외에도 배터리 노화에 영향을 미치는 균열 및 부식과 같은 수많은 추가 프로세스가 있지만 이에 대해서는 다른 기사에서 다루겠습니다.

달력 노화

캘린더 노화의 주요 동인은 온도와 충전 상태(SOC)입니다. 전반적으로 온도가 높을수록 SOC 배터리는 더 빨리 노화됩니다. 평균 10°C 또는 50°F 감소하면 그림 2에 표시된 것처럼 배터리 수명이 두 배로 늘어납니다. 그러나 리튬 도금으로 인해 배터리를 너무 낮은 온도에서 작동하지 마십시오.

그림 2: 다양한 충전 상태 및 온도에서 시간 경과에 따른 배터리 노화 비교

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SOC가 높을수록(특히 90% 이상) 그림 3.3, 4, 5에서 볼 수 있듯이 배터리 노화가 급격히 증가합니다.

그림 3: 다양한 충전 상태에서 시간 경과에 따른 배터리 노화 비교