리튬이온배터리 : 전기차 급속충전이 어려운 이유

전기차 고속충전/급속충전이 어려운 이유

전기차의 급속충전

최근들어 환경적인 이슈나 이로인해 여러 정책들이 채택되면서 전기차의 수요가 활발히 증가하고 있다. 하지만, 대중화 되었다고 하기엔 아직까지 화석연료 기반 자동차가 전기차의 몇십배는 더 많다. 전기차를 고르지 않는 수많은 이유 중에 하나는 바로 충전시간인데, 이는 전기차가 대중적인 자동차가 되기 위해서 꼭 넘어야 할 산으로 볼 수 있다.

 

배터리 충전시간

오늘은 왜 배터리의 급속충전이 한계점을 가지고 있는 지 이야기 해볼까 한다. 전기차를 소유하고 계시는 분들도 앞으로 구매를 고민하고 계신 분들도 아마 충전시간에 대해서 고민도 많이 하시고, 걱정도 많이 하실 것 같은데 이 포스팅의 경우는 급속충전에 대해서 회의적인 포스팅이니 참고하시면 좋을 것 같다.

 

전기차 급속충전의 한계

급속충전이란 100% 충전이 아닌 80% 충전기준으로 주로 말한다. 100% 충전을 고속으로 하게되면 배터리의 성능이 급격하게 안좋아지기 때문이다. 따라서 80%까지는 고전류를 흘려주어 빠르게 충전하고(constant current mode, CC mode) 그 다음은 충전전압대까지 완만하게 완충해주는(constant voltage mode, CV mode) 방법이 현재 급속충전 기술의 한계라고 볼 수 있다. 

 

또한 고전류도 어느정도 이상으로는 많이 어려울 수가 있는데, 이를 포함해서 어떤 한계가 있는 지 짚어보자.

 

1. 전선이 전류를 버티지 못함

 

어느정도의 고전류를 흘리게 되면 전선이 버티지 못해 녹아내릴 수가 있다. 급속충전에 대해 배터리 노후가 되지 않으면서 소재도 탄탄하게 버텨준다고 해도 그만한 전류를 전선이 버티게끔 설계를 한다면, 성인남자도 들기 힘들정도로 전선이 두꺼워지고 무거워질 것이다.

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2. 음극에서 일어나는 lithium plating

 

전기화학반응은 마치 한사람만 들어갈 수 있는 작은 문에 사람이 들어가서 방에 모여있다가 다시 나가는 것으로 설명할 수 있을 것 같다. 음극에 리튬이온이 차례차례 들어가있는 상태가 충전 / 리튬이온이 음극에서 나와 양극에 들어간 것이 방전인데, 급속충전이라하면 작은 문에 여러 명의 사람들이 한번에 들어가려고 하는 것이랑 똑같다고 보면 된다. 하여 미처 들어가지 못한 리튬이온이 주변에 그대로 증착이 되고 이것들이 점점 늘어나면 흑연음극 표면에 리튬이 plating되어 내부단락 등 안전사고도 발생할 수 있다.

 

3. 과방전과 과충전의 문제성

 

전기차는 배터리 내의 수백~수천 개의 셀들이 들어가 배터리 팩을 이루고 이 배터리 팩이 들어가있다. 따라서 불량으로 인해 팩 내의 한 두개의 셀들이 문제가 생겨도 문제가 가시적으로 보일 때 까지 알 수가 없는데, 만약 급속충전을 하게 되면 이런 팩 내의 불량 셀들이 생길 가능성이 커지고 이는 과방전/과충전까지 이어져 안전사고로 발발할 수 있다.

 

마치며

급속충전은 우리의 편의성과 전기차의 확대를 위한 중요한 숙제라고 볼 수 있다.

하지만, 어느 한계를 돌파하기 위해 무리하게 연구가 이어진다면 결국은 안전문제로 직결될 수 있다는 것을 간과해선 안될 것이다.