배터리 파워

새로운 요구에 맞는 리튬이온 배터리 성능 개량

William J. Holstein
23 June 2018

생산업체들은 점점 더 많은 전기차와 하이브리드 차량을 선보이고 공공사업자들은 저장 능력을 초과하는 태양력 및 풍력 전기를 생산함에 따라 리튬이온 배터리의 수요는 가전 시장을 넘어 크게 증가하고 있습니다. 결과적으로 연구자들은 새로운 활용처에 맞추어 기술을 개선하기 위해 경쟁을 벌이고 있습니다.

시카고에 위치한 아르곤 국립 연구소는 리튬이온 배터리 연구의 허브입니다. 하지만 이 연구소의 고객은 지금까지와 같이 가전 업체에만 한정되어 있지는 않습니다. 연구소는 제너럴 모터스, BASF, LG 화학, 제너럴 일렉트릭 등 리튬이온 배터리를 만들거나 사용하는 모든 주요 업체들 및 기술을 개선하려는 업체들과 라이센스 협약을 맺고 있습니다. 연구원들은 배터리 성능이 연간 5%에서 10%로 상승할 수 있다고 생각하지만 단순히 스마트폰 배터리 시간을 늘리는 것이 다가 아닙니다. 새로운 애플리케이션을 위한 배터리를 최적화 하는데 집중하고 있습니다.

전기차는 15년의 수명과 공공사업은 30년의 유효 수명이 요구되기 때문입니다.

근 20 년 간 배터리 연구에 매진해 온 아르곤의 선임 과학자 대니얼 에이브러험은 "이동수단에서 (배터리에게) 중요한 것은 단순한 에너지 공급이 아닙니다. 파워 또한 필요"하다고 말했습니다. “제 차가 가능한 한 신속히 가속할 수 있기를 원합니다. 전기 그리드도 달라져야 하죠. 만일 제가 풍력으로 에너지를 모은다면 가능한 한 신속히 에너지를 충전할 수 있기를 원할 겁니다. 고성능의 충전 능력이 필요하다는 의미입니다.”

3 단계 연구

이러한 요구 사항을 충족시키기 위하여 배터리 연구자들은 강력한 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 배터리의 동작을 아래와 같이 세 가지 수준에서 시뮬레이션합니다.

나노(혹은 분자) 수준:보스턴에 소재한 LUX 리서치의 크리스토퍼 로빈슨은 연구자들은 수천 종의 서로 다른 합성물들을 담고 있는 데이터베이스를 이용하여 미세한 성분 구성 변화가 리튬이온 배터리의 성능에 어떤 영향을 미치는지 연구합니다. 기술 혁신과 관련된 자문 서비스를 제공하는 LUX 리서치는 이 기술을 신소재 개발 중에서 가장 활발한 분야라고 합니다.
예를 들어 소량의 질산염, 니켈, 망간, 코발트는 배터리의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 고성능 컴퓨터와 소프트웨어 분야의 발전에 힘입어 물리적인 시험을 할 때보다 훨씬 빠른 속도로 수천 건의 선별 검사와 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 가상 테스트 덕분에 전체 프로세스의 진행 속도가 매우 빨라졌습니다.

중규모 수준: 간단한 가전제품은 단일 배터리 셀을 이용하지만, 더 큰 제품들은 다수의 셀을 연결하여 하나의 패키지로 사용하게 됩니다. 캘리포니아에 위치한 스타트업인 로미오 파워(Romeo Power)는 셀이 서로 연결되었을 때의 상호작용에 중점을 두어 이들의 성능을 관찰하는 알고리즘을 사용합니다. 이 회사는 과거 스페이스X, 테슬라, 삼성, 아마존 등에서 일했던 설계자들과 엔지니어들에 의해 2014 년에 설립되었는데 직접 배터리 셀을 만들지는 않고 시장을 지배하고 있는 일본 및 한국 기업으로부터 배터리를 구매합니다. 로미오 파워는 이 셀을 이용해 배터리 시스템을 만들고 최적화하여 네 가지 산업 분야에 공급합니다. 지게차, 거치형 전기 저장 장치, 자동차, 소비자 가전인데, 노트북과 스마트폰을 위한 세이버 충전기를 포함합니다.

Romeo Power researches how battery cells interact once they are grouped together and uses algorithms to continually monitor their performance. Image © Romeo Power

로미오 파워의 공동 설립자이자 CTO인 포터 해리스는 "우리는 컴퓨터를 사용하여 전체 디자인을 완성하는데 이는 완전한 시스템을 만드는 과정 중 95%에 해당된다"라고 말했습니다. 로미오 파워는 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 다중 셀 시스템의 성능에 결정적인 영향을 미치는 유체 역학과 열전달 특성을 신속히 분석합니다.

해리스는 이상적인 것은 단일 셀 시스템에서와 같은 형상을 보이는 것이며 단일 셀과 같은 특성을 더 많이 보일수록 더 좋은 것입니다. 모든 것을 완성하기 위해 여러 번의 개발 공정이 반복되기 때문에 우선 이론적으로 완성하는 것이 중요하다고 전했습니다.

이 회사에서는 각각의 패키지마다 마스터 컨트롤러를 사용하는데 이를 통해 시간에 따른 배터리 시스템의 상태와 파워 출력에 관한 데이터를 지속해 수집할 수 있습니다. "전 시간에 걸친 배터리의 상태를 모두 알기 원한다"라고 말했습니다.

시스템 수준:시스템 수준은 전원을 공급받는 전체 시스템 수준에서 배터리 팩의 성능을 보여주는 것을 의미합니다. 예를 들어 생산 업체에서 배터리 팩을 전기 자동차 시스템에 연결했을 때의 상황 같은 것입니다.

"우리는 소프트웨어를 이용하여 기계적, 전기적 동력을 자동차의 어느 부분에도 전달할 수 있습니다." 라고 오스트리아 크라이젤 일렉트릭의 선임 연구원인 요하네스 품슬라이트너는 말했습니다. "우리는 전체 시스템을 만든 후 전압, 전류, 열용량 등 원하는 물리적 인자 값을 적용하여 시뮬레이션을 시작합니다."

이 회사는 공급자로부터 셀을 공급받아 배터리 팩과 전체 차량 시스템을 개발합니다.

배터리의 내부 온도를 제어하는 것은 민감한 문제인데 과열로 말미암은 발화 위험성 때문에 그러합니다. 이 문제를 다루기 위해 크라이젤 일렉트릭은 배터리가 특정 전류 값이나 와트 값에 이르렀을 때의 배터리 동작을 시뮬레이션합니다. 또한, 외부 온도가 오르내림에 따라 특정 배터리가 어떻게 동작하는가도 시뮬레이션합니다.

배터리 관리 시스템에 의하여 배터리가 연결되는 부분은 여럿이 있는데 그중에 파워 트레인 제어장치와 냉각 시스템이 있습니다. "냉각 장치와 배터리 팩 시스템의 동작을 더 잘 제어할수록 배터리를 더 오래 강력하게 사용할 수 있습니다." 라고 품슬라이트너는 말했습니다.

크라이젤 일렉트릭의 시스템은 외부 상황이 변화할 때 배터리 성능이 어떻게 바뀌어야 하는지 예측하는 알고리즘을 사용합니다. 만약에 다음 5 분 내 오르막 구간을 오른다는 것을 자동차의 에너지 관리 시스템이 예측하면 배터리 팩의 출력을 조금 낮추어 과열을 방지합니다.

한가지로 묶기

각 수준에서 배터리를 테스트하고 분석하는 소프트웨어 시스템을 하나로 연결하는 것은 큰 과제입니다. 이는 배터리 팩 제조자와 최종 시스템 제조자는 실제로 어떻게 동작하는지 배터리 성능을 테스트해봐야 합니다.

5%-10%

리튬이온 배터리가 매년 얼마만큼씩 개선될 수 있을까에 대한 예상치

"나노, 중간, 시스템, 이렇게 세 가지 수준의 시뮬레이션과 제어를 함께 연결하여 배터리의 원자적 구조를 전체 시스템 성능 관점에서 이해하는 것이 궁극적 목표입니다." 라고 아르곤의 에이브러험은 말했습니다. "아직 그 단계까지는 이르지 못했습니다."
아직 그 단계에 이르지는 못했지만, 업계에 몸담은 대부분의 사람들은 지속적인 개선이 이루어질 것이라고 믿고 있는데 이는 시간이 오래 걸리는 물리적 테스트가 점점 줄어들어야 함을 의미합니다. 물리적 테스트를 덜 하게 되면 배터리 기술을 새로운 분야에 적용하는 새로운 문을 열어 줄 것입니다.
"현시점에서는 물리적 테스트를 피할 길이 없습니다." 라고 로미오 파워의 해리스는 말했습니다. "리튬이온 혁명은 현재 진행형입니다."

For more information on electric battery design for transportation:
http://go.3ds.com/peNg 

Related resources

Subscribe

Register here to receive a monthly update on our newest content.