EU의 배터리 2030+ 전략: 센싱 (Sensing)

요약:

초고성능의 배터리를 개발한다 하더라도 실제 사용하다 보면 통제할 수 없는 외부요인과 배터리 내부 재료들의 열화에 의해 수명과 신뢰성, 안전성이 떨어질 수밖에 없다. 이때 배터리의 고장부위를 수리하여 복원한다면 이론적으로는 반영구적으로 배터리를 사용할 수 있을 것이다. 배터리의 고장부위를 수리하려면 먼저 문제가 된 부위를 발견하고 문제의 원인을 파악해야 한다. 이를 위해 배터리 내부의 상태를 감지할 수 있는 센서 기술의 개발이 필요하다. 현재까지의 센서 기술은 배터리 표면의 온도나 압력 변형률 등을 모니터링하는 수준이고 아직 셀 내부를 모니터링할 수는 없다. 배터리 2030+의 두 번째 연구 테마에서는 배터리 내부의 상황을 모니터링할 수 있는 무선 센서를 개발하여 여기서 얻어진 정보를 통해 배터리가 자가 복원할 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다.

 

스마트 기능의 통합: 센싱

초고성능 배터리란 재료의 이론적 한계치까지 에너지를 끌어내고 긴 수명과 신뢰성, 안전성 및 친환경성을 가지면서 저렴한 가격으로 대량생산이 가능한 배터리를 말한다.

그러나 아무리 탁월한 성능을 가진 초고성능 배터리라 하더라도 외부온도, 물리적 충격, 과전류, 과전압등의 통제할 수 없는 외부요인과 배터리 내부 재료들의 열화에 의해 수명과 신뢰성, 안전성이 떨어질 수밖에 없다.

일반적으로 물건이 고장나면 고장난 부품을 교체해주거나 보수하여 다시 오랜 시간 안정적으로 사용하듯이 배터리도 문제가 된 부분을 수리하여 사용한다면 거의 반영구적으로 사용이 가능할 것이다. 그러나 현재까지는 배터리를 수리하는 것이 불가능하다. 일단 먼저 배터리 내부의 문제가 발생한 지점을 찾아내어 어떤 문제인지, 무엇을 고쳐야하는지 진단을 내리는 것이 어렵다. 문제를 찾아낸다해도 배터리는 쉽게 교체하거나 보수를 할 수 있는 제품이 아니다. 만일 배터리를 해체하여 수리할 수 있다 하더라도 현재 기술로는 새 제품으로 교체하는 것이 시간과 비용면에서 더 유리할 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하기위해 배터리 2030+ 에서는 “센싱 (Sensing)” 기술과 “자가 복원 (Self-healing)”을 두번째 테마의 연구 영역으로 추진하고 있다.

센싱 기술은 센서를 통해 배터리의 고장을 일으키는 부분을 찾아내는 것이고 자가 복원기술은 센서를 통해 발견한 고장 부위를 외부가 아닌 배터리 자체 내에 내장된 자가 복원 물질을 통해 수리하는 것이다.

 

배터리 2030+의 3가지 테마와 6가지 연구 영역

테마		연구영역
1	배터리 인터페이스 및 재료 발굴의 가속화 (Accelerated discovery of battery interfaces and materials)	재료 가속 플랫폼: MAP (Materials Acceleration Platform)
		배터리 인터페이스 게놈: BIG (Battery Interface Genome)
2	스마트 기능의 통합 (Integration of smart functionalities)	센싱 (Sensing)
		자가복원기술 (Self-healing)
3	공통연구분야 (Cross-cutting area),	제조용이성 (Manufacturability)
		재활용성 (Recyclability)

 

개발 현황

배터리의 QRL이라고 불리는 “품질 (Quality)”, “신뢰성 (Reliability)”, “수명 (life)”을 높이기 위해서는 배터리의 기능 및 상태를 정확하게 모니터링 해야 한다. 이것을 위해 최근 수많은 온보드 EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy)기기와 정교한 BMS 시스템이 개발되었지만 아직 크게 유용하다고 볼 수는 없다.

배터리의 QRL을 획기적으로 개선하려면 실제 사용 중 배터리 내에서 일어나는 물리적 파라미터에 대한 더 깊은 지식과 모니터링이 필요하고 기생적으로 일어나는 화학적 과정등에 대해서도 더 깊은 연구가 필요하다.

이를 위해서는 배터리 내의 다양한 위치에서 “온도”, “압력”, “변형률”, “전해질 조성”, “전극의 부피변화”, “열흐름”과 같은 다양한 파라미터를 측정할 수 있는 센서가 중요하다.

1) 배터리 분석기술

배터리의 다양한 화학 특성을 분석하는 기술들은 점점 발전하고 있다. 배터리가 동작 하는 중에 X선 회절 (XRD), 핵자기공명(NMR), 전자상자기공명법(EPR) 및 투과전자현미경(TEM)과 같은 정교한 진단 도구를 사용하여 배터리의 다양한 화학적 물리적 특성을 측정할 수 있지만 이것을 측정하기 위해 특정장비가 필요하고 측정을 위한 전처리가 필요하다. 따라서 이러한 분석 기술들은 실제 차량이나 기기에 장착되어 사용중인 상용 배터리의 상태를 분석하기는 어렵다.

최근 18650원통형 배터리로 리튬의 분포 밀도와 구조적 효과를 이미지화하는 기술도 개발되었지만 이 역시 접근이 제한된 대규모 설비에서 측정이 가능하기 때문에 운행 중인 차량에 장착된 배터리의 상태를 측정하는 것은 불가능하다.

2) 소형화

실제 기기에 설치되어 사용중인 상용배터리에 이러한 분석기술을 적용하기 위해서는 분석 기기의 소형화가 필요하다. 현재까지 소형화된 분석기기들은 “벤치탑 XRD (bench-top XRD)”, “SEM”, “휴대용 임피던스 분광기 (Portable Impedance Spectroscopy)”, 등이 있지만 아직 배터리를 모니터링하기에는 적합하지 않다.

휴대용 EIS장치는 주로 사이클링시 납축전지의 저항의 증가를 측정하여 납축전지의 SOH 추정을 가능하게 하고 있다. 또한 모듈내의 불량 배터리를 식별하기 위한 백업장치로도 사용되고 있는데 문제는 신뢰성이 70% 이하로 낮다는 것이다.

SOC 모니터링의 경우 배터리의 존재만큼이나 오래된 문제이지만 여전히 매우 어려운 과제이다. 오늘날 SOC의 추정은 EIS, 저항, 전류펄스 측정, 쿨롱계수 및 OCV (Open Circuit Voltage) 기반의 추정 등 직접 측정에 의존하고 있다.

배터리 성능에 큰 영향을 미치는 SEI의 형성과 거동을 관찰하기 위해서 열전대, 서미스터, 압력게이지, 음향 프로브등을 사용하여 SEI거동의 온도, 압력, 변형 및 μV의 영향을 비파괴적 접근법으로 감지하고 있다.

그러나 이러한 감지 활동의 대부분은 배터리 셀 내부가 아닌 외부의 센서 사용에 의존하기 때문에 배터리 수명 모니터링에 가장 중요한 배터리 내부의 화학적/물리적 파라미터를 관찰하기는 어렵다.

이에 따라 배터리 내부를 측정할 수 있는 이식형 센서에 대한 관심이 증가하고 있는데 그중에서도 광학센싱 분야가 주목을 받고 있다.

최근 연구 결과에 따르면 광섬유 브래그 격자 (Fiber Bragg Grating; FBG) 센서, 충방전시 온도, 압력, 변형을 감지하는 센서, 온도를 이미지화 하는 센서, 전지 성능을 방해하지 않고 SOC평가를 하는 센서등이 긍정적인 평가를 얻고 있다.

 

배터리 모듈 및 시스템에 대한 다양한 센싱 기술이 시도되었으며,이 중 셀 수준에서 유망한 기술은 다음과 같다.

배터리 모듈 및 시스템에 사용할 수 있는 센싱 기술들

배터리에 사용되는 센서

1). 온도센서

지금까지 배터리 온도센서를 통해 측정된 셀의 표면온도는 배터리 열관리 시스템 (TBMS: Thermal Battery Management System)을 검증하는 데 사용되어 왔다.

지금까지 알려진 온도 센서는 아래와 같이 크게 5가지로 분류된다.

 

A. 저항온도 검출기 (RTD: Resistance Temperature Detectors)

온도가 변화하면 금속의 전기저항이 변화하는 사실을 이용하여 온도를 측정한다.

B. 열감지 저항기 (thermistors)

세라믹 반도체의 전기저항 변화를 이용하여 온도를 측정한다.

C. 열전대 (Thermocouple)

다른 금속으로 만들어진 2개의 스트립이나 와이어의 끝을 연결한 것으로 이 접점에서 온도가 변화하면 두 금속의 기전력에 변화가 생기는데 이를 측정하여 온도를 계산한다.

D. FBG (Fiber Bragg Grating)

FBG는 Fiber Bragg Grating의 약자로 광섬유내에 미세 구조의 격자를 새겨 넣은 것으로 이 격자는 온도와 외력에 의해 변화하기 때문에 온도, 응력, 가속도, 압력 등을 측정할 때 주로 사용한다.

E. 적외선 센서 (Infrared thermography)

재료 방출하는 열 복사를 측정해서 온도를 추측하는 것으로 비접촉식이다.

적외선 센서를 사용하면 비접촉식으로 셀 내부 온도를 측정할 수 있지만 이 방법은 주변 잡음(noise)에 민감하고 온도 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

 

2). 게이지 센서(변형, 압력)

배터리의 SOC와 SOH에 영향을 미치는 SEI에서 일어나는 현상을 모니터링하는데에는 압력과 변형률을 측정하기도 한다.

최근 셀의 표면에 배치된 변형센서를 이용하여 용량 유지율과 비가역적인 압력증가의 상관관계를 밝혀낸 사례도 있고 압력 측정에 의해 SEI측정에 의한 비가역적인 부피팽창을 검출할 수 있음이 증명되었다.

그러나 이방법은 셀의 표면에 부착을 하게 되므로 아직까지는 SOC 및 SOH를 개선하기 위한 충분한 정보를 제공하기에는 부족하다.

3) 전기화학 센서

전기 화학 센서는 주로 SEI 성장, 산화 환원 셔틀(redox shuttle species) 및 금속 용해와 같은 배터리 화학적 요소 측면을 센싱 하는 데 사용된다.

전기화확 센서의 과제는 전압, 전류, 전위차 측정에 사용할 수 있는 전기화학적으로 안정하고 내구성이 있는 표준 전극을 개발하는 것이다.

일반적으로 실험실에서 사용하는 전기화학적 분석 방법은 소형화가 어려웠지만 최근 생물 물리학 및 화학분야의 발전으로 소형화에 대한 시도가 이루어지고 있어 향후 나노 크기까지 소형화가 가능할 것으로 전망하고 있다.

4)광학 센서

배터리 양극 및 음극에 센서(광섬유, 와이어 등)와 출력 분석기가 연결된 미래형 배터리

A. FBG (Fiber Bragg Grating) 센서

FBG센서는 온도, 압력, 변형을 측정하는 센서로 많이 연구되고 있다.

Xerox의 팔로알토 연구소(PARC: Palo Alto Research Center)는 리튬이온 파우치 배터리의 전극에 FBG 센서를 부착하여 배터리를 제작하였고 이 센서는 최소 1000번의 수명진행동안 셀에 영향을 주지 않았다. 또한 FBG센서를 사용하여 변형률을 측정하여 2.5% 이하 오차 범위의 SOC를 예측하였고 2% 이하 오차범위로 셀 용량을 예측하기도 하였다.그러나 FBG센서는 온도와 압력을 분리하기 힘들다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 MOF (Micro Optical Fiber)가 연구되고 있다. MOF는 아직 개발 초기 단계이지만 독립적으로 온도와 압력을 측정할 수 있다.

B. NPS (Nano-Plasmonic Sensor)

NPS는 표면 플라스몬 (Surface Plasmon)이라고 알려진 전자진동을 통해 광학신호를 집중, 증폭, 조정할 수 있는 센서이다. NPS기술은 “SEI성장”, “리튬의 삽입 탈리” 및 “국소 이온 농도 변화”와 같이 나노 스케일에서 발생하는 물리 화학적 현상을 모니터링할 수 있다. 그러나 NPS센서를 만들려면 섬유 위에 금속 플러스몬 나노 구조물을 증착해야 하고 전해질이 있는 상태에서 사이클링 할 경우 아직 물리 화학적 안정성이 검증되지 않은 문제가 있다.

4). 음향 센서 (acoustic sensor)

배터리는 사이클링시 수축 팽창하게 되는데 보통 부피변화가 10%정도 된다. 이 때 배터리 재료들이 발생시키는 기계적 응력변화는 음파신호를 발생시키며 이를 이용하여 음향 센서로 측정할 수 있다.

음향 방출 기술은 이미 납축전지나 Ni-MH전지를 모니터링하는데 사용되어 왔고 LIB를 연구하는데도 최근에 사용되고 있다.

음향센서를 이용하게 되면 배터리 재료에 과도한 스트레스를 초래하는 작동 조건을 감지하고 안전문제를 초래할 수 있는 비정상적인 동작의 초기 징후를 감지하는데 매우 효과적이다. 또한 전송된 음량 신호의 물리적 특성을 활용하여 SOC를 추정하기도 한다. 그러나 아직 신호를 방출하고 수신하는 데 사용되는 음향 변환기를 연결하기 위해 방대한 양의 배선이 필요하므로 이를 해결할 방안이 필요하다.

 

도전과제

1). 스마트 센서 개발 필요

배터리 수명과 안전성에 영향을 미치는 조건을 공간 및 시간에 따라 모니터링 할 수 있는 배터리 스마트 임베디드 센싱 기술 및 기능의 개발이 필요하다.

이것을 위해서 선행되어야 하는 것은 광학, 전기, 열적 또는 전기 화학적 특성을 이용하여 배터리의 변형, 온도, 압력, 전해질 농도 등 다양한 파라미터들을 정밀하게 측정할 수 있고 궁극적으로는 SEI역학에 접근할 수 있는 센서 기술이 개발되어야 한다.

센서가 배터리의 가혹한 환경에서도 견딜 수 있도록 전기화학적인 안전성, 열적 안전성을 가져야 하며 셀의 성능에 영향을 미치지 않도록 센서의 사이즈 조절이 가능해야 하고 재활용도 가능해야 한다.

2). 무선 전송 기술의 개발 필요

배터리 셀 및 팩에서 센서를 통해 생성된 데이터를 효율적으로 전송하는 기술이 개발되어야 하고 센서와 BMS 간의 통신을 위한 표준이 수립되어야 한다.

센서에서 수집된 데이터를 전송하기위해서 와이어를 추가하는 것은 제조 단가가 비싸지고 구현이 어려우므로 궁극적으로는 무선 전송이 가능한 센서가 개발되어야 한다.

배선을 줄이기위해서는 한 번에 여러 파라미터들을 모니터링할 수 있는 새로운 센서를 개발해야 한다. 즉 하나의 센서에 FBG, MOF, NFS등을 통합할 수 있어야 한다.

 

3). 스마트 BMS 시스템 구현이 필요함.

센서를 통해 많은 양의 데이터가 수집되면 이것을 해석하고 처리하여 조치를 취하는 인공지능이 필요하다. 즉 센서와 인공지능이 시너지 효과를 내도록 스마트 BMS 시스템이 구축되어야 한다.

 

향후 전망

배터리 2030+에서 목표로 하는 초고성능 배터리의 개발은 센싱기술과 자가복원 기술을 통해 완성된다고 할 수 있다.

이 두 가지 기술이 개발되어 적용된다면 이론적으로는 초고성능 배터리를 반영구적으로 사용 가능할 것으로 예상된다. 반영구적인 사용까지는 많은 기술적 진보가 이루어져야 하겠지만 센싱 기술과 자가 복원 기술의 개발은 배터리 성능의 열화 속도를 늦추고 수명을 비약적으로 증가시킬 수 있게 될 것이다.