진화하는 교통과 함께 배터리 화학의 극적인 발전은 배터리 성능을 최적화하는 기존 접근법에 도전장을 내고 있다. 이스라엘 배터리 개발업체 '스토어닷'의 CEO 도론 마이어스도르프 박사가 미래 전기차 배터리 설계에 대한 글을 보내왔다. 배터리 제조사가 다양한 범주의 운전자 요구사항을 지원하기 위해 화학적 수준에서 배터리 성능의 활용성을 높일 수 있는 새로운 방법을 모색해야 하는 이유를 설명하면서 운전 패턴이 광범위한 전기차 산업에 미치는 몇 가지 영향을 소개했다. 

글| 도론 마이어스도르프(Doron Myersdorf) CEO, StoreDot
원제|  "미래 전기차 배터리 설계: 하나의 크기가 더는 널리 적용되지 않는 이유"
           (Designing the EV battery of the future: why one size no longer fits all)




전기차(EV) 산업은 놀랍도록 빠른 속도로 진화하고 있으며, 특히 배터리 개발 분야만큼 눈에 띄는 분야는 없다.
우리 기술 개발자들은 배터리 화학의 근본적인 새로운 접근법으로 단 5분 만에 완전히 충전되는 EV용 리튬이온 배터리를 개발했다. 5년 전만 해도 불가능하다고 여겼던 과제를 극복할 수 있었기에 가능했다. 이 모든 노력의 목표는 EV 보급의 주요 장벽인 짧은 주행거리와 주행불안증을 해소함으로써 EV 운전경험을 최적화해 완전한 e모빌리티로의 전환을 촉진하는 것이다. 그러나 배터리 화학 자체가 계속 발전함에 따라, 수명주기 성능을 최적화하기 위한 업계의 전통적인 접근 방식도 발전해야 한다는 사실이 분명해지고 있다. 



사고방식의 전환

전통적으로 배터리 수명주기 성능을 측정하는 방법부터 살펴보자. 이 방법은 세 가지(에너지 밀도, 충전 속도, 충/방전 주기 횟수) 핵심 파라미터에 근거를 둔다. 이런 변수들은 서로 밀접하게 연결돼 있다. 즉 하나를 최적화하면 다른 변수가 악화한다. 따라서 배터리 최적화는 세 가지 파라미터를 최상으로 결합하는 것이다. 여러 측면에서 이것은 상당히 예측 가능한 공정으로, 배터리를 6시간 동안 충전할 경우 약 2,000 사이클을 제공할 것이라는 사실을 알고 있다.

그러나 배터리 관리 시스템(BMS)의 정교화, 운전습관의 변화, 새로운 배터리 화학물질의 등장으로 판도가 바뀌고 있다. 배터리 성능은 그다지 결정적이지 않고, 대신 차량의 운행 및 충전 방식에 따라 시간이 지나면서 바뀔 수 있다. 이것은 우리의 사고방식도 바뀌어야 함을 의미한다. 사실 우리는 고정된 기능으로서 이전과 같은 방식으로 배터리 성능을 계속해서 최적화할 수 없다. 운전자의 운전 이력과 연관돼 있어야 하고 역동적이어야 한다. 


진화하는 교통과 함께 배터리 화학기술의 발전은 배터리 성능을 최적화하기 위한 기존 접근법에 도전장을 내고 있다.



미래 EV 운전자 인식

배터리 기술 개발자의 경우, 특히 미래 EV 운전자의 운전 습관을 파악할 필요가 있다. 배터리 관리 시스템은 운전자의 요구사항이 변경될 경우(예컨대 직장을 옮긴 후 갑자기 차를 더 자주 이용하거나 장거리 출장을 위해 차를 이용해야 하는 경우), 시간에 따라 특정 파라미터를 변경할 수 있는 유연성을 제공하지만, 배터리 화학은 고정돼 있다. 그래서, 선택한 배터리 화학과 설계가 운전자의 예상 요구사항에 최대한 가깝게 일치하는지 확인하는 것이 매우 중요하다.

이러한 인식하에 미래의 EV 운전자가 어떤 모습일지, 그에 따른 그들의 운전 및 충전행태에 어떤 영향을 미칠지를 고려하게 됐다. 실제로는 수백 가지의 다른 운전자 이력이 있지만, 간단히 세 가지 이력에만 초점을 맞춰 본다. 

먼저, 차를 주로 짧은 이동을 위해 이용하고 집에서 밤새 충전하는 ‘사커맘(soccer mom)’이 있다. 다른 한 편에는 정기적으로 장거리 여행을 하고 호텔에서 하룻밤을 묵는 사업가(on-the-go-pro)가 있다. 이런 사람에게는 잦은 급속충전이 필수적이다. 그리고  완충 및 고속 충전이 모두 필요한, 차를 단거리용과 장거리용으로 모두 이용하는 양극단 사이의 어디쯤에 있는 운전자가 있다. 

이런 각각의 상황은 배터리 사양에 영향을 미친다. 예를 들어, 운전자가 항상 급속충전을 하는 경우, 특정 운전자의 에너지 밀도와 사이클 수명 간 최상의 균형을 달성하기 위해 행동 방식 유형에 기반해 배터리 화학을 최적화하는 방법을 살펴봐야 한다. 


EV 배터리 화학과 설계가 운전자의 예상 요구사항에 최대한 가깝게 일치하는지 확인하는 것이 매우 중요하다.



새로운 사고의 작동

운전자의 요구에 따라 배터리 구성 및 설계를 최적화하기 위해 고려해야 할 많은 화학물질 및 전기화학 고려사항이 있다. 

여기에는 음극 소재로 흑연, 실리콘 및 기타 준금속의 최적 조합 설정, 올바른 양극 대 음극 부하비율(load ratio) 결정, 배터리의 상·하한 차단 전압이 안전한 경계 내에 있는지 확인하는 것 등이 포함된다. 그러나 우리가 내리는 각 결정은 배터리 화학 및 설계의 다른 요소에 영향을 미치기 때문에 설계 단계에서 이 모든 사항을 고려해야만 한다. 
초급속 충전(Extreme Fast Charging, XFC) 기술을 개발할 때 극복해야 할 핵심 과제 중 하나는 급속충전 과정에서 실리콘의 팽창을 관리하는 것이었다. 

우리는 3D 구조로 결합된 나노 입자를 사용함으로써 음극의 전체 구조나 부피에 큰 영향을 주지 않고 입자가 팽창할 수 있는 공간을 제공해 이 문제를 해결했다. 특정 운영 모델(particular operational model)에 맞게 배터리를 설계할 때, 운전자에게 가장 중요한 파라미터를 최적화하기 위한 최상의 소재 조합뿐 아니라, 각 조합이 음극 구조에 어떤 영향을 미치는지 결정해야 한다. 예를 들어, XFC와 완속충전에 모두 최적화된 배터리는 실리콘이 우세할 수 있지만, XFC 배터리만 급속충전 과정에서 실리콘의 팽창을 제어하기 위해 나노 입자를 사용해야 한다. 

문제를 더 복잡하게 만드는 것은 음극 구조가 이온이 양극에서 음극으로 이동할 때 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층의 일부로 사용되는 전해질과 전해질 첨가제에 따라 영향을 받는다는 사실이다. 첨가제 선택은 배터리가 XFC, 완속충전 또는 둘 사이의 어느 것에 최적화되었는지에 따라 다르기 때문에 이 또한 전체 음극 설계의 일부로 고려해야 한다. 

음극에 사용되는 소재의 조합은 배터리의 상·하한 차단 전압에도 영향을 미쳐 설계 단계에서 고려해야 할 또 하나의 변수다. 마찬가지로 차량의 작동 모델이 배터리 셀의 양극 대 음극 부하비율(C/A 비)에 어떤 영향을 미치는지 고려해야 한다. 정확한 C/A 비를 설정하는 것은 모든 충전·방전 사이클에서 완전한 가역 반응임을 보장하는 데 중요하다. 즉 모든 리튬이 양극과 음극 사이에서 완전하게 앞뒤로 이동할 수 있음을 의미한다. 배터리를 설계할 때, 각각의 옵션이 다른 최적화 지점을 제공하기 때문에 리튬 전달의 균형을 맞추기 위해 양극 또는 음극의 크기를 약 5%까지 늘릴 수 있다. 급속충전에 최적화된 배터리는 양극이 약간 더 커야 하지만, 완속충전에 최적화된 배터리는 음극의 크기가 커질 수 있다.



수집된 대규모의 운전행태 데이터는 필요한 충전소 개수와 유형을 결정할 때 인프라 공급업체에 매우 중요하다.



결론 도출하기

이것은 미래 EV 운전자의 진화하는 요구를 충족시키기 위해 배터리 기술을 조정할 수 있는 몇 가지 방법일 뿐이다. 하지만 더욱 고객 중심 접근법을 채택함으로써 배터리 성능 개선 이상의 이점을 얻을 수 있다. 예를 들어, 수집된 대규모 운전행태 데이터는 충전 인프라 구축 시 필요한 충전소의 개수와 어느 장소에 어떤 유형의 (완속 또는 급속) 충전소를 설치해야 할지 결정할 때 매우 유용하다. 

이를 위해서는 데이터를 수집하고 관련 이해 당사자들에게 배포하는 방법에 대한 표준화된 접근 방식이 필요하다. 이 과정은 차량 구매 시점부터 딜러와 함께 ‘1부터 10까지의 척도로, 급속 충전이 얼마나 중요한가?’ 등 일련의 질문을 던지는 것부터 시작해야 한다. 또 다른 방식은 고객에게 구글 드라이버 분석(Google Driver Analytics)을 다운로드할 수 있는 권한을 요청해 평균 이동시간, 주행거리, 주행속도 및 충전습관 등의 필수 정보에 빠르고 손쉽게 접근할 수 있도록 하는 것이다. 그러면 딜러는 고객이 라이프스타일에 가장 적합한 차량을 선택할 수 있도록 도울 수 있을 뿐만 아니라 특정 운전 및 충전 습관에 따라 최적의 배터리 유형을 선택할 수 있도록 도울 수 있다.

더 멀리 내다보면, 이 여정의 종착지는 표준으로 완전 ‘맞춤화’된 배터리를 제공하는 것이다. 우리가 이 목표를 달성하기까지는 아직 갈 길이 멀지만, 지금 필요한 구성요소를 마련하는 것이 매우 중요하다. 우리가 EV 배터리 개발의 다음 단계를 성공적으로 여는 것은 상황을 주도하는 자리에 운전자가 있게 하는 것이다.


도론 마이어스도르프 CEO

AEM_Automotive Electronics Magazine