엔지니어와 연구자들은 배터리 거동을 보다 깊이 있게 분석하는 새로운 시험 기법을 개발하고 있으며, 이를 통해 미세한 열화 메커니즘을 규명하고 배터리 상태에 대한 실시간 통찰을 제공하고 있다. 이에 이번 기고에서는 현재 개발 중인 새로운 배터리 진단 시험 기법들을 살펴보고, 이러한 접근법이 어떻게 한층 진보된 에너지 저장 기술을 구현하는지 조명한다.
(출처: Steveandfriend /stock.adobe.com; generated with AI)
스마트폰에서 전기차(EV)에 이르기까지 세상이 점점 더 전동화됨에 따라, 고성능·긴수명·고안전성 배터리에 대한 수요는 그 어느 때보다 커지고 있다. 리튬이온 배터리는 강력한 성능과 함께 첨단 소비자 애플리케이션 전반에 널리 사용되고 있지만, 전류 누설, 덴드라이트 형성, 열 폭주와 같은 문제에 취약하다. 이러한 문제들은 각각 치명적인 고장을 초래할 수 있다. 이러한 위험을 해결하기 위해 엔지니어와 연구자들은 배터리 거동을 보다 깊이 있게 분석하는 새로운 시험 기법을 개발하고 있으며, 이를 통해 미세한 열화 메커니즘을 규명하고 배터리 상태에 대한 실시간 통찰을 제공하고 있다.
이에 이번 기고에서는 현재 개발 중인 새로운 배터리 진단 시험 기법들을 살펴보고, 이러한 접근법이 어떻게 한층 진보된 에너지 저장 기술을 구현하는지 조명한다.
더 안전하고 스마트한 배터리를 향한 요구
최근 몇 년간 스마트폰과 전기차(EV) 분야에서 발생한 리튬이온(Li-ion) 배터리 화재 사례가 우리에게 시사하는 바는, 보다 엄격하고 견고한 안전 및 시험 체계를 지속적으로 구축해야 한다는 점이다. 이러한 사고들은 표면적인 진단을 넘어서는 강력한 테스트 프로토콜의 중요성을 분명히 보여주었다. 최근 부상하는 배터리 시험 접근법에는 전류 동역학과 배터리 구조를 훨씬 더 미세한 수준에서 분석할 수 있는 물리적 시험 및 시뮬레이션 기반 시험이 포함된다. 이를 통해 배터리가 최적의 상태로 안전하게 작동하는지 확인하고, 미세한 문제가 대규모 열 폭주로 발전하기 전에 사전에 감지할 수 있다. 이러한 방법에는 그래핀 홀 센서와 전기화학 질량분석(EC-MS)이 포함되며, 품질 관리(QC), 현장 진단, 연구개발(R&D) 전반에 활용되어 배터리 수명 주기 전반에 걸친 거동을 보다 종합적으로 이해할 수 있도록 한다.
그래핀 홀 센서: 정밀한 전류 맵핑
배터리 진단 분야에서 가장 유망한 혁신 기술 중 하나는 그래핀 홀 센서로, 배터리 내부의 자기장을 측정해 국부 전류를 파악한다. 홀 효과 센서에서는 능동 감지 표면이 자기장에 놓이면, 재료 내의 전하 운반자가 편향되면서 재료 양단에 전위차가 발생한다. 이 과정에서 재료 내에 전압이 생성되며, 전하의 편향 정도와 생성된 전압을 측정함으로써 자기장의 세기를 산출할 수 있다. 그래핀 기반 센서에서는 그래핀의 탁월한 전기적 특성으로 인해 홀 효과가 증폭되어, 국부 전류를 정밀하게 측정할 수 있으며 매우 빠른 응답 속도를 구현할 수 있다.
비접촉식이고 비파괴적이며 배터리 작동에 영향을 주지 않으면서 국부 전류를 모니터링할 수 있기 때문에, 그래핀 홀 센서는 전기차(EV)와 같은 운용 환경에서도 실시간으로 배치될 수 있다. 그래핀 홀 센서를 사용하여 엔지니어는 다음을 수행할 수 있다.
- 충전 및 방전 사이클을 모니터링한다
- 충전 상태(SOC)와 건강 상태(SOH)를 평가한다
- 전류 스파이크와 누설을 감지한다
- 열 폭주로 이어질 수 있는 핫스폿을 식별한다
- 배터리 전반에 걸친 전류 분포를 맵핑한다
그래핀 홀 센서는 고출력 리튬이온(Li-ion) 배터리의 가장 큰 안전 과제 중 하나인 열 폭주를 모니터링하고 시험하는 데 특히 적합하다. 열 폭주는 결함으로 인해 발생하는 급격한 온도 상승을 의미한다. 이러한 급격히 치솟는 온도는 셀과 배터리 팩 전반으로 확산되어 화재 및 잠재적으로 폭발로 이어질 수 있다.
그래핀 홀 센서는 심각한 열 사건으로 발전하기 전에 전류와 결함을 맵핑하는 배터리 모니터링 도구로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 그래핀 홀 센서는 열 폭주 및 기타 중대한 배터리 안전 문제에 대한 조기 경보 시스템으로 작동할 수 있다.
전기화학 질량분석
그래핀 센서가 전기적 거동에 초점을 맞추는 반면, 전기화학 질량분석(EC-MS)은 배터리 내부에서 발생하는 화학적 과정을 들여다볼 수 있는 창을 제공한다. 이러한 진단 접근법의 한 사례로는 리튬이온(Li-ion)[1] 셀에서 열화의 주요 지표인 가스 발생을 연구하기 위해 EC-MS를 활용하고 있는 덴마크 기업 ‘Spectro Inlets’가 있다.
전통적으로 가스 배출을 분석하려면 통제된 환경에서 복잡한 장비 구성이 필요하다. EC-MS는 배터리 셀과 직접 인터페이스하는 미세가공 멤브레인을 사용함으로써 이를 단순화하며, 추가적인 캐리어 가스나 전해질 손실 없이 가스가 자연적으로 분광기로 확산되도록 한다. 이 기술을 통해 연구자들은 특정 열화 경로를 식별하고, 시간에 따른 가스 생성 속도를 측정하며, 단순한 시뮬레이션에만 의존할 때보다 실제 배터리 수명을 더욱 정확하게 예측할 수 있다.
EC-MS는 특히 연구개발(R&D) 분야에서 가치가 높은데, 배터리 노화의 근본 원인을 이해함으로써 보다 내구성이 뛰어난 설계를 가능하게 하기 때문이다. 현재는 소규모로 활용되고 있지만, 패러데이 연구소(Faraday Institution)와 같은 기관의 주목을 받으면서 향후 보다 광범위한 도입 가능성을 보여주고 있다.
배터리 시험에서 물리 기반 시뮬레이션의 역할
물리적 시험이 필수적인 요소인 동시에, 물리 기반 시뮬레이션 접근법 역시 배터리 개발에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 시뮬레이션은 다양한 가정된 시나리오에서 배터리가 이론적으로 어떻게 작동해야 하는지를 보여주기 때문에 개발 과정에서 중요하다. 배터리 모니터링 및 진단 분야에서는 물리 기반 모델이 큰 인기를 얻고 있다. 최근에는 배터리에 특화된 물리 기반 시뮬레이션 모델이 등장하여, 시간이 지남에 따른 배터리 내부 특성과 열화를 보다 정확하게 예측하고 있다.
대표적인 플랫폼으로는 기본 물리에 기반해 열화 메커니즘, 성능 지표, 수명 예측을 시뮬레이션할 수 있도록 지원하는 오픈소스 도구인 PyBaMM(Python Battery Mathematical Modelling)이 있다. [2] 전 세계 수천 명의 엔지니어가 이미 PyBaMM을 사용하고 있으며, 이 도구는 배터리 연구개발(R&D)의 핵심 플랫폼으로 자리 잡고 있다. 이 플랫폼은 다음을 가능하게 한다.
- 열화 시나리오에 대한 상세 분석
- 배터리 설계 및 소재의 최적화
- 하이브리드 시험 접근법을 위한 실험 데이터와의 통합
결론
배터리 시험은 정밀성, 민감도, 예측 역량으로 특징지어지는 새로운 단계에 접어들고 있다. 미세한 결함이 위험 요소로 발전하기 전에 감지하든, 복잡한 열화 경로를 시뮬레이션하든, 현재 활용 가능한 도구들은 배터리 성능을 이해하고 관리하는 방식을 재정의하고 있다.
전력 수요가 증가하고 안전 기준이 강화됨에 따라, 이러한 새로운 진단 기법은 배터리가 강력할 뿐만 아니라 신뢰성과 안전성을 갖추도록 보장하는 데 핵심적인 역할을 하게 될 것이다. 물리적 시험과 시뮬레이션 기반 시험의 결합은 향후 에너지 저장 기술의 잠재력을 최대한 실현하는 열쇠가 될 것이다.
참고 문헌
[1] https://www.faraday.ac.uk/success-stories/spectro-inlets/
[2] https://pybamm.org/
저자 소개
리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학과 나노 기술을 전문으로 하는 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이터로, 분자 수준의 기초 원리가 다양한 응용 분야에 어떻게 적용될 수 있는지를 다루고 있다. 그는 복잡한 과학 주제를 과학자와 비과학자 모두에게 이해하기 쉽게 설명하는 정보 중심의 접근 방식으로 잘 알려져 있다. 리암은 화학과 나노기술이 교차하는 다양한 과학 분야 및 산업 영역에서 350편이 넘는 기사를 발표했다.
현재 그는 유럽 나노기술산업협회(Nanotechnology Industries Association, NIA)의 수석 과학 커뮤니케이션 책임자로 활동하고 있으며, 지난 몇 년간 전 세계의 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 위해 글을 써왔다. 작가가 되기 전에는 나노기술을 포함한 화학 석사 학위와 화학공학 석사 학위를 취득했다.
집필 활동 외에도 그는 미국의 National Graphene Association(NGA), 글로벌 조직인 NWN(Nanotechnology World Network), 그리고 영국 기반 과학 자선단체인 GlamSci의 이사회 멤버로 활동하고 있다. 또한 BSNM(British Society for Nanomedicine)과 IAAM(International Association of Advanced Materials)의 회원이며, 여러 학술지의 동료 심사위원으로도 활동 중이다.
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