서론
글로벌 에너지 전환의 흐름 속에서 리튬이온 배터리는 전기자동차와 에너지 저장 시스템의 핵심 전력원으로 자리 잡았다. 배터리의 에너지 밀도 향상과 고속 충전에 대한 시장 요구가 지속적으로 증가함에 따라, 배터리 안전 문제는 점점 더 중요한 이슈로 부각되고 있다. 최근 몇 년간 배터리 내부 결함으로 인해 발생한 전기자동차 화재 및 에너지 저장 설비 사고가 빈번히 보고되며, 이는 산업 전반에 경각심을 불러일으켰다. 이러한 잠재적 안전 위험은 주로 내부 미세 단락이나 소재 오염과 같이 제조 공정에서 완전히 제거하기 어려운 결함에서 기인한다. 자기방전 시험 기술은 이러한 잠재 결함을 초기 단계에서 정밀하게 식별할 수 있는 효과적인 수단이다.
본 문서에서는 자기방전 시험을 간략히 소개하고, 여러 시험 방법을 열거한 뒤, 정전위법을 중심으로 상세히 설명한다. 마지막으로 자기방전 시험이 제공하는 이점을 분석하고, 추가적인 적용 가능 시나리오를 제시한다.
자기방전 시험의
자기방전[1,2]이란 에너지가 충전된 저장 장치가 외부 부하에 연결되지 않은 상태에서도 시간이 지남에 따라 전하를 자연적으로 소실하는 현상을 의미한다. 자기방전 메커니즘은 에너지 저장 장치를 높은 깁스 자유에너지 상태에서 더 낮은 자유에너지 상태로 이동시키는 방향으로 작용한다(그림 1).
그림 1 자기방전 과정에서의 깁스 자유에너지 변화 개략도 [1]
모든 리튬이온 배터리는 일정 수준의 자기방전을 나타내며, 일반적으로 월 기준 약 1%에서 5%의 용량 손실이 발생한다. 이는 기술적으로 불가피한 특성이다. 그러나 배터리 내부에 미세 단락, 불순물 또는 구조적 결함이 존재할 경우 자기방전 속도는 현저히 증가한다. 이러한 배터리는 정상적인 자기방전 특성을 가진 배터리에 비해 이후 사용 단계에서 고장이 발생할 가능성이 훨씬 높다. 따라서 자기방전 속도를 정밀하게 측정함으로써 배터리 조립 이전 단계에서 잠재 결함 셀을 효과적으로 식별할 수 있으며, 문제 배터리가 실제 응용 단계로 유입되는 것을 사전에 방지할 수 있다. 요약하면, 자기방전 시험의 근본적인 의의는 배터리의 일관성과 신뢰성을 보장하는 핵심 수단이라는 점에 있다.
자기방전 시험 방법
개방 회로 전압법
개방 회로 전압(Open-Circuit Voltage, OCV)법은 비교적 전통적인 시험 방법으로, 배터리를 저장 상태로 유지하면서 개방 회로 전압의 변화를 측정하고 전압 하강 속도를 기반으로 자기방전 특성을 평가한다. 배터리를 물이 가득 찬 컵에 비유하면, 수위 변화를 관찰함으로써 물의 손실량을 판단할 수 있는 것과 같다. 마찬가지로 개방 회로 전압 변화를 관측하면 배터리의 자기방전 특성을 파악할 수 있다(그림 2).
그림 2 개방 회로 전압법 개략도(물컵 모델)
이 방법은 조작이 간단하고 장비 비용이 낮다는 장점이 있으나, 시험에 매우 오랜 시간이 소요된다. 장기간 시험으로 인해 발생하는 배터리 보관 비용 또한 상당하다. 결함 배터리의 자기방전을 가속하기 위해 저장 환경의 온도를 일정 수준 상승시킬 수는 있으나, 신뢰할 수 있는 결과를 얻기까지 수주 또는 수개월이 소요되는 경우가 많다.
정전위법
정전위법은 보다 진보된 자기방전 시험 방법으로, 포텐쇼스타트를 이용하여 직류 전원의 전위를 배터리의 개방 회로 전압과 정밀하게 일치시킨 뒤, 이 상태에서 발생하는 자기방전 전류를 측정한다. 이 방법을 적용하면 시험 시간을 수일 또는 수시간 단위로 크게 단축할 수 있다.
구체적인 시험 과정에서는 전압원을 정밀하게 제어하여 배터리의 OCV와 동일한 전위를 유지하며, 이때 전압원에서 배터리로 흐르는 전류를 자기방전 전류로 정의한다. 해당 전류의 시간에 따른 변화 곡선을 분석함으로써 배터리의 자기방전 특성을 평가할 수 있다. 이를 물컵 모델로 설명하면, 바닥에 작은 구멍이 있어 물이 지속적으로 새는 컵1이 배터리에 해당하며, 새어 나오는 물이 자기방전 전류에 해당한다. 정전위법은 컵1과 동일한 수위를 유지하는 컵2에서 물을 지속적으로 보충하여 컵1을 항상 가득 채운 상태로 유지하고, 컵2에서 컵1으로 이동한 물의 양을 정밀하게 측정함으로써 누수량, 즉 자기방전 전류를 산출하는 방식이다. 그 원리는 그림 3에 제시되어 있다.
그림 3 정전위법 개략도(물컵 모델)
이와 같은 설명은 개념적으로 단순해 보일 수 있으나, 실제 운용 과정은 매우 복잡하다. 배터리 전압은 지속적으로 미세한 변동을 보이며, 시험 환경의 극히 작은 온도 변화나 진동만으로도 전압 편차가 발생할 수 있기 때문이다. 정전위법은 배터리 전압을 실시간으로 감지하고 이에 따라 전류를 조절해야 하므로, 매우 높은 정밀도와 높은 샘플링 속도를 갖춘 포텐쇼스타트가 요구되며, 전류를 정밀하게 제어할 수 있는 전원 또한 필요하다. 일반적으로 약 7자릿수 수준의 정밀도가 확보되어야 비교적 정확한 자기방전 특성 측정이 가능하다. 이는 정전위법이 고정밀 시험 장비를 필요로 함을 의미하며, 이러한 장비는 통상 고가이다. 예를 들어 키사이트의 자기방전 시험기는 수만 달러에 이른다. 그러나 배터리 보관 비용 절감 효과와 비교하면 이러한 장비 비용은 상대적으로 작은 수준이라 할 수 있다. 동일한 정전위법을 적용한 NEWARE 자기방전 시험기는 더 낮은 가격에서 우수한 성능을 제공하며, 현재 개발이 완료되어 곧 양산에 돌입할 예정이다.
정전류법
앞서 설명한 바와 같이 정전위법은 전위를 제어하고 전류를 측정하여 자기방전 특성을 평가한다. 반대로 전류를 제어하고 전압 변화를 측정함으로써도 배터리의 자기방전 특성을 얻을 수 있다. ARBIN의 정전류법은 이러한 원리에 기반하며, 전기화학적 평형을 교란하는 요인을 회피하기 위한 특수한 계산식을 제안한다. 다만 실제 운용에서는 정전위법과 마찬가지로 매우 정밀한 제어가 요구된다.
자기방전 시험이 제공하는 이점
이는 배터리 제조사가 가장 중요하게 고려하는 요소이다. 결론부터 말하면, 자기방전 시험이 제공하는 이점은 시험 장비의 비용을 훨씬 상회한다. 만약 한 기업이 자사 배터리의 사용 중 사고 발생 확률을 90% 이상 낮출 수 있다면, 이는 막대한 경제적 이익으로 이어질 것이다. 동시에 소비자 역시 이러한 배터리를 더욱 신뢰하게 된다. 최근 몇 년간 전기자동차 배터리 화재로 인한 인명 피해 사례가 증가하면서, 초기 단계에 비해 순수 전기자동차에 대한 소비자의 관심과 신뢰는 다소 감소한 상황이다. 실제 사고 현장(그림 4)을 목격한 소비자는 배터리 안전성에 대해 더욱 큰 우려를 갖게 된다.
그림 4 전기자동차 화재 사고 현장
결론
자기방전 시험은 배터리 안전성과 품질을 보장하는 데 있어 필수적인 공정이다. 기존의 개방 회로 전압법과 비교할 때, 정전위법은 시험 시간을 단축하고 보관 비용을 절감할 뿐만 아니라, 자기방전 시험을 샘플링 검사에서 전수 검사로 전환할 수 있게 하여 결과의 신뢰성을 크게 향상시킨다. 향후 인공지능 기술의 발전과 함께 자기방전 시험 데이터를 배터리 전 생애주기 성능과 연계함으로써, 배터리 건강 상태에 대한 보다 정밀한 예측 모델을 구축하는 것도 충분히 기대할 수 있다.
참고문헌
[1] Babu B. Self-discharge in rechargeable electrochemical energy storage devices[J]. Energy Storage Materials, 2024, 67: 103261.
[2] Liao H, Huang B, Cui Y, et al. Research on a fast detection method of self-discharge of lithium battery[J]. Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105431.
부록
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