▲ [사진3]리튬이차전지의 열화 특성 분석 및 시뮬레이션 기술을 개발한 KERI 하윤철 박사(왼쪽) 및 DGIST 이용민 교수

국내 연구진이 리튬이온배터리의 충방전이 전지의 수명과 발열에 미치는 영향을 분석해 화재를 미리 예측하는 열관리 기반 기술을 개발했다.

한국전기연구원(이하 KERI, 원장 명성호) 차세대전지연구센터 하윤철 박사와 대구경북과학기술원(DGIST) 이용민 교수가 공동 연구한 ‘리튬이차전지 수명 및 발열 특성 분석 기술’ 연구 결과가 전기·전자공학 분야 국제 저명 학술지에 게재됐다고 최근 밝혔다.

이번 연구는 과학기술연합대학원대학교(UST) KERI 캠퍼스 정태종 박사과정 학생과 DGIST 이효빈 박사과정 학생이 주저자로 참여했다.

리튬이차전지는 스마트폰, 전기차, 전력저장장치(ESS) 등에 쓰이고 있다. 하지만 최근 주목을 받는 ESS가 국내에서 35차례 넘게 대형 화재 사고가 발생하는 등 사용 증가에 비례해 화재나 폭발 위험성도 높아져 전문가들이 사고 예방을 위한 기술 개발에 노력을 기울이고 있다.

리튬이차전지의 안전을 위해 가장 중요한 기술 중 하나는 열 관리다. 온도가 지나치게 높거나 낮아지면 전지의 성능이 더 빠르게 저하된다. 그러나 기존 열 관리 시스템은 전지의 초기 특성에 따라 설계되어 장기간 사용 시 성능 저하 전지의 특성은 반영하지 못한다.

이에 연구팀은 리튬이차전지의 장기 충·방전 과정이 수명과 발열 문제에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 배터리 화재까지 예측할 수 있는 기술을 개발했다. 충격 등 외부 요인이나 제조사 결함이 없는 정상 전지라도 체계적인 관리 없이 장기간 사용 시 사고에 이르는 것을 과학적으로 밝혀냈다.

이번 연구는 리튬이차전지 중 가장 많이 생산되는 원통형 전지(2.85Ah)를 대상으로 다양한 충·방전 조건에서 1,000회 이상 실험해 얻은 170만여 건의 시계열 데이터를 분석했다. 충·방전 속도가 배터리 수명과 발열 특성에 미치는 영향을 통계학적으로 정확하게 분석한 것은 세계 최초다.

연구팀은 이러한 데이터를 시각화하고 통계 처리할 수 있는 ‘파이선(python)’ 프로그램을 자체 개발, 장기 성능 분석에도 성공, 상용 소프트웨어 프로그램과 연계해 시뮬레이션까지 할 수 있는 기반을 마련했다. 스마트폰은 물론, 밀폐된 환경에서 수백 수천 개의 전지를 밀집해 사용하는 전기차와 ESS까지 안전성을 크게 높일 수 있다.

KERI 하윤철 박사는 “2년 이상 사용한 기기는 신형 스마트폰보다 발열이 더 심할 것이란 경험적 추측을 통계 분석 및 전산 해석 기법을 통해 문제 원인을 과학적으로 밝혀냈다는 것에 의의가 있다”면서 “꾸준한 연구를 통해 파우치·캔형 등 다양한 형태의 전지를 안정 운용 기술 개발에 매진하겠다”고 전했다.