스마트폰이나 노트북을 오랫동안 사용하는 사람 중에는. 사용하다 배터리가 방전돼 만충전해도 바로 배터리 소진 문제에 시달리는 사람이 적지 않을 것이다.
일정한 전류를 흘리는 "정전류"가 아닌 "펄스 전류"를 사용해 충전함으로써, 대부분의 디바이스에서 사용되는 리튬 이온 전지의 수명을 배증시키는 것이 가능하다는 연구 결과가 발표되었다.
스마트폰부터 전기차까지 많은 제품에 탑재돼 있는 리튬이온전지는, 1회 충방전을 1사이클로 하는 충전 사이클을 수백 번 반복하는 동안 열화돼 최대 용량이 조금씩 줄어든다.
독일 훔볼트대 베를린 및 덴마크 올보대 연구팀에 따르면, 현행 최첨단 리튬이온전지는 전극에 리튬니켈망간코발트산화물(NMC532)과 흑연을 채용한 것으로, 내용연수는 5~8년 정도다. 이것은 충전 사이클로 하면 300~500회 정도라고 되어 있다.
보다 고도의 충전 프로토콜인 펄스 전류를 사용하면, 이 리튬 이온 전지의 수명이 연장될 가능성이 지금까지의 연구에서 시사되어 왔지만, 그 메커니즘은 잘 알려져 있지 않았기 때문에, 실용화에 방해가 되고 있었다.
충전 방식의 차이가 배터리 열화에 미치는 영향을 알아보기 위해, 연구팀은 시판 중인 리튬이온전지를 정전류와 펄스 전류로 충전해, 100사이클마다 배터리의 건강 상태를 진단하는 실험을 진행. 그 결과, 펄스 전류로 충전한 배터리는 수명이 배가 되는 것을 확인할 수 있었다는 것.
다음은, 실험 결과를 정리한 그래프로, 정전류(CC)로 충전한 배터리는, 500사이클 시점에 충전 용량이 80%를 넘지 않아 사실상 수명에 도달했고, 1000사이클 이후에는 단 37.8%만 남았다. 반면 주파수가 100Hz인 펄스전류(Pulse-100)로 충전한 배터리는 80%가 될 때까지 700사이클을 버텼고, 1000사이클 이후에도 66.48%의 용량을 유지. 그리고 주파수 2000Hz의 Pulse-2000에서는 1000사이클이 넘어도 80% 이상의 성능을 유지한 채였다.
연구팀이 충방전을 반복한 리튬이온전지를 분석했더니, 정전류로 충전된 배터리에서는 전류가 흘러드는 전극인 애노드 표면에 형성되는 고체전해질 계면(SEI)이라는 막이 크게 두꺼워져 있었고, 이로 인해 배터리가 보유할 수 있는 충전량이 제한돼 있었다는.
또한, NMC532와 흑연으로 만들어진 전극에도 무수히 많은 균열이 달리고 있으며, 이것도 용량 감소의 요인이 되었는데, 대조적으로 펄스 전류로 충전한 배터리는 SEI가 얇고 전극에 대한 손상도 낮게 억제되어 있었다는 것이다.
다음은, 전극(Graphite)의 표면을 현미경으로 확대한 사진으로, 왼쪽부터 차례로 신품(Fresh), 정전류(CC), 2000Hz 펄스 전류(Pulse-2000). 정전류로 충전한 전극(중앙)에는 약 110nm의 막이 붙어 있었지만, 펄스 전류(오른쪽)에서는 이것이 절반인 약 50nm로 억제되어 있었다.
연구팀은, 2024년 3월 14일자 학술지 Advanced Materials Sciences에 게재한 논문에 "이러한 발견은, 현행 리튬이온전지 충전 방식을 최적화시켜 내용연수를 늘리고, 나아가 미래 배터리 기술을 발전시키는 통찰도 가져옵니다"라고 적고있다.
