스마트폰이나 노트북의 배터리 수명을 '펄스 충전'으로 2배로 하는 것이 가능
스마트폰이나 노트북을 오랫동안 소중히 사용하는 사람 중에는 사용하고 있는 동안 배터리가 노후화되어 충전해도 곧 배터리가 바닥나는 문제에 시달리는 사람이 적지 않습니다. 최근 일정한 전류가 흐르는 '정전류'가 아니라 '펄스 전류'를 사용하여 충전함으로써 많은 디바이스에서 사용되고 있는 리튬이온 전지의 수명을 배로 증가시키는 것이 가능하다는 연구결과가 발표되었습니다.
Tired of your laptop battery degrading? New 'pulse current' charging process could double its lifespan. | Live Science
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Tired of your laptop battery degrading? New 'pulse current' charging process could double its lifespan.
Using pulse current charging, or a constant current divided with a few short breaks, lithium-ion batteries hold up better over hundreds of charging cycles and can last twice as long.
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BESSY II - How pulsed charging enhances the service time of batteries - Batteries News
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BESSY II - How pulsed charging enhances the service time of batteries - Batteries News
BESSY II - How pulsed charging enhances the service time of batteries. An improved charging protocol might help lithium-ion batteries
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스마트폰에서 전기자동차에 이르기까지 많은 제품에 탑재되어 있는 리튬이온 배터리는 1회의 충방전을 1사이클로 하는 충전 사이클을 수백 회 반복하는 동안에 열화하고 최대 용량이 조금씩 줄어갑니다.
독일 훔볼트대학 베를린과 덴마크 올보대학 연구팀에 따르면 현행 최첨단 리튬이온 전지는 전극에 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC532)과 흑연을 채용한 것으로 내용연수는 5~8년 정도라는 것. 이것은 충전 사이클로 하면 300~500회 정도입니다.
보다 고도의 충전 프로토콜인 펄스 전류를 사용하면 이 리튬이온 전지의 수명이 연장될 가능성이 지금까지의 연구에서 시사되어 왔지만 그 메커니즘은 잘 알지 못했기 때문에 실용화에 실패했습니다.
충전방식의 차이가 배터리의 열화에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구팀은 시판되는 리튬이온 배터리를 정전류와 펄스 전류로 충전하고 100 사이클마다 배터리의 상태를 진단하는 실험을 실시했습니다. 그 결과 펄스 전류로 충전한 배터리는 수명이 두 배가 되는 것이 확인되었습니다.
다음은 실험결과를 요약한 그래프입니다. 정전류(CC)로 충전한 배터리는 500사이클의 시점에서 충전용량이 80%를 아래로 떨어져 사실상의 수명에 이르렀고 1000사이클 후에는 37.8%밖에 남지 않았습니다. 한편 주파수가 100Hz의 펄스 전류(Pulse-100)로 충전한 배터리는 80%가 될 때까지 700사이클을 달성했고 1000사이클 후에도 66.48%의 용량을 유지했습니다. 그리고 주파수 2000Hz의 Pulse-2000에서는 1000 사이클을 넘어도 80% 이상의 성능을 유지했습니다.
연구팀이 충방전을 반복한 리튬이온 전지를 분석한 결과 정전류로 충전된 배터리에서는 전류가 흐르는 전극인 애노드의 표면에 형성되는 고체 전해질 계면(SEI)이라는 막이 크게 두껍게 되어 있어서 이것에 의해 배터리가 유지할 수 있는 충전량이 제한되고 있었습니다.
또한 NMC532와 흑연으로 만들어진 전극에도 무수한 균열이 생겨서 용량 감소의 요인이 되고 있었습니다. 대조적으로 펄스 전류로 충전된 배터리는 SEI가 얇고 전극에 대한 데미지도 낮게 억제되었습니다.
다음은 전극(Graphite)의 표면을 현미경으로 확대한 사진으로 왼쪽부터 차례로 신품(Fresh), 정전류(CC), 2000Hz 펄스 전류(Pulse-2000)입니다. 정전류로 충전한 전극(중앙)에는 약 110nm의 막이 붙어 있었습니다만, 펄스 전류(오른쪽)에서는 절반인 약 50nm로 억제되었습니다.
연구팀은 2024년 3월 14일자의 학술지 Advanced Materials Sciences에 게재한 논문에서 “이러한 발견은 현행 리튬이온 전지의 충전방식을 최적화시켜 내용연수를 늘려 더욱 향후의 배터리 기술을 발전시키는 통찰력도 가져온다”고 전망했습니다.