배터리 내·외부 열평형은 유지하면서 온도에 따른 실시간 전압 파악, 배터리 열화학 변화의 명확한 측정
도칠훈 박사
[경남=일요신문] 정동욱 기자 = 최근 에너지저장장치(ESS)를 비롯해 전기자동차, 전기선박, 전기·전력 저장장치 등 다양한 분야에서 중대형 배터리의 수요가 급증하는 가운데, 국내 연구진이 중대형 배터리의 열화학 변화를 명확하게 측정하여 배터리의 성능과 안정성을 높일 수 있는 방법을 개발해 많은 주목을 받고 있다.
과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(KERI·원장 최규하) 차세대전지연구센터 도칠훈 박사팀(책임연구원)은 최근 배터리의 열화학 반응을 결정하는 ‘엔트로피(Entropy)’를 정확하게 측정하는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. 엔트로피란 온도와 배터리 전압과의 변화 관계를 축약해 나타내는 지표다. 배터리의 개발 단계에서 정확한 엔트로피를 기반으로, 적정한 열-전기-화학적 설계를 적용하면 보다 안전하고 수명이 향상된 배터리를 만들 수 있다.
엔트로피를 측정하는 기존의 방법 중 하나는 여러 개의 온도 구간에서 각각 배터리를 충·방전해 배터리의 전압과 온도와의 관계를 구하는 방식이다. 하지만 이 방법은 배터리의 표면과 내부 사이에 온도 차이가 발생하기 때문에 측정 결과의 정확도가 떨어진다는 문제점이 발생한다. 바깥의 온도가 30도라고 할지라도 배터리 내부의 온도 역시 30도는 아니기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 배터리 자체를 가열해 내·외부 온도를 동일하게 만들 수도 있지만, 이 과정은 배터리 내·외부의 열이 동일한 평형 상태에 이르기까지 매우 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다. 여러 구간의 온도에서 전압을 측정해야 하는데 그 때마다 열평형 상태에 이르기까지 기다려야 하며, 특히 중대형 배터리의 경우 부피가 크기 때문에 소요 시간이 더 오래 걸린다.
무엇보다 이들 방법 모두 특정 온도의 구간마다 구분해서 각각 전압을 측정하기 때문에, 온도의 실시간 변화에 따른 시간의 연속성을 보장하지 못한다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 ‘배터리 내·외부의 열평형’과 ‘시간의 연속성’에 주목했다. 우선 배터리를 적정 온도 수준으로 가열한 뒤, 열이 거의 빠져나가지 않도록 준단열 상태(quasi-adiabatic condition)로 만들었다. 준단열은 흔히 일상생활에서 열이 빠져나가는 것을 최소화하기 위해 스티로폼을 사용하는 방식을 생각하면 쉽다. 이렇게 시간이 흐르면서 느리지만 자연스럽게 배터리의 냉각이 이뤄지고, 그 과정마다 실시간으로 전압을 측정하는 방법이다.
준단열 상태에서의 배터리는 내·외부 열평형 상태를 최대한 유지할 수 있고, 자연스럽게 온도가 내려가는 과정에서 전압을 계속 측정하고 기록하게 되니 시간의 연속성도 보장할 수 있다.
연구책임자인 도칠훈 박사는 “KERI가 개발한 방법을 활용하면 배터리 내·외부 열평형을 최대한 유지한 채, 측정하고 싶은 온도의 전 구간에서 보다 정확한 엔트로피를 측정할 수 있다”며 “배터리 개발 단계에서 가장 기본이자 핵심이라고 할 수 있는 열화학 분야에 새로운 패러다임을 가져 올 것”이라고 전했다.
연구팀은 이번 연구가 중대형 배터리를 사용하는 ESS, 전기자동차의 고성능화 및 안정화에 크게 기여할 것으로 보고 있다. 특히 ESS의 경우 안전한 배터리 관리를 위해 많은 유지비가 소요되지만, KERI의 정확한 열화학 해석법을 통해 발열 등 배터리와 관련한 다양한 위험성을 예견하여 ESS의 관리를 용이하게 할 것으로 기대하고 있다.
한편 해당 연구결과는 전기화학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘일렉트로키미카 악타(Electrochimica Acta)’에 게재(6.20.)됐다. 향후 KERI 연구팀은 정확한 열화학 해석법을 적용해 효과적인 배터리 개발 방안을 지속해서 제시하겠다는 목표다.
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