테슬라의 등장과 함께 전기자동차가 일반화되면서 배터리 냉각기술의 중요도가 증가하고 있다. 이에 따라 친절한 공대 아저씨와 함께 배터리 냉각기술에 대한 이해 및 발전 추세에 대해 알아보도록 하자.
배터리의 중요성
먼저 배터리 기술의 중요성에 대해서 살펴보자.
사실 나는 배터리를 건너 뛰고 연료전지가 더 일찍 일반화될 줄 알았다. 그만큼 User 입장에서 보자면 배터리보다는 연료전지가 휠씬 더 사용하기 편하기 때문이다. 하지만 연료전지는 배터리보다 기술적 난이도가 더 높기 때문에 보편화까지는 아직 시간이 더 필요한 듯하다. 위의 그래프에서 볼 수 있듯이 배터리에 대한 수요는 날이 갈수록 증가하고 있다. 비록 연료전지도 증가추세이지만, 배터리에 비하면 ‘새 발의 피’ 수준이다. 배터리 수요의 증가는 곧 내연기관 수요의 감소로 이어진다. 앞으로 어떤 대안 기술들이 나올지는 모르겠지만, 심각한 환경 문제로 인하여 그래프의 경향성은 쉽사리 변하지 않을 것 같다.
배터리 온도가 증가하는 이유
배터리의 냉각이 필요한 이유는 배터리의 온도가 증가하기 때문이다. 그럼 배터리 온도는 왜 증가하는 것일까? 배터리 온도 상승과 관련하여 줄 가열과 엔트로피 가열 관점에서 설명할 수 있다.
- 줄 가열: 저항 가열이라고도 알려진 줄 가열은 전류가 저항이 있는 도체를 통과할 때 발생한다. 배터리에서는 전류가 배터리 내부 저항을 통해 흐르면서 전하 캐리어(전자)와 배터리 소재의 원자 사이의 충돌로 인해 전기 에너지의 일부가 열로 변환된다. 이 과정은 발생하는 열(Q)이 저항(R)을 통과하는 전류(I)와 전류가 흐르는 시간(t)의 제곱에 비례한다는 줄(Joule)의 법칙으로 설명된다. Q= I2Rt. 본질적으로 배터리의 저항은 전자의 흐름을 방해하며, 이 저항을 극복하기 위해 수행된 작업으로 인해 배터리가 가열된다. 줄 가열은 에너지 소실의 한 형태이며 방전 중 배터리 온도 상승의 주요 원인이다.
- 엔트로피 가열: 반면에 엔트로피 가열은 시스템 내 무질서 또는 엔트로피의 증가와 관련이 있다. 배터리 온도 상승과 관련하여 엔트로피 가열은 방전 중 배터리의 화학 반응과 관련된 비가역적 프로세스 또는 비효율로 인해 발생하는 열로 이해될 수 있다. 배터리는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 화학 반응을 겪기 때문에 모든 에너지가 완벽하게 변환되는 것은 아니다. 일부 에너지는 이온 활성화, 부반응, 전극-전해질 계면에서의 분극 효과와 같은 비가역적 과정으로 인해 열로 손실된다. 이러한 비효율성은 배터리 시스템 내부의 장애를 증가시켜 온도 상승을 초래한다. 엔트로피 가열은 방전 중 배터리의 전체 온도 상승에 기여하는 줄 가열을 보완한다.
요약하면, 줄 가열은 주로 배터리 내부의 저항에서 발생하지만 엔트로피 가열은 배터리의 화학 반응과 관련된 비가역적 프로세스 및 비효율성에서 발생하며 둘 다 배터리 작동 중 온도 상승에 기여한다.
위의 그래프에서도 확인할 수 있듯이 배터리 온도 상승의 주요 원인은 줄 가열이 엔트로피 가열보다 더 주도적이다. 또한 ①SOC(state of charge)가 낮을수록, ②배터리 온도가 낮을수록, ③C-rate가 높을수록…배터리 가열 정도가 더 심해지는 것을 볼 수 있다. 특히 C-rate의 증가는 배터리 온도 상승의 직격탄을 날리는 주된 요인이다.
배터리 온도 관리의 중요성
배터리의 온도 관리를 잘하지 못하면 배터리 수명이 크게 감소한다. 위의 그래프에서도 확인할 수 있듯이 배터리의 수명을 최대한 증가시키 려면 배터리를 항상 최적 온도 범위 내에서 운전해야 한다. 배터리 제조회사별로 다르겠지만, 일반적인 배터리 최적 운전 온도 범위는 약 10~45도 사이이다. 배터리를 이 온도 범위를 벗어나서 사용할 수 없다는 것은 아니다. 다만 배터리를 너무 뜨겁거나 차가운 조건에서 사용하면 배터리 수명이 크게 감소할 수 있다는 것을 알아야 한다.
사실 배터리 온도 관리가 필요한 진짜 이유는 배터리 온도가 너무 많이 상승하면 열폭주(thermal runaway) 현상으로 이어질 수 있기 때문이다. 배터리 열폭주 프로세스는 배터리 화학 유형에 따라 다를 수 있지만 몇 가지 일반적인 메커니즘은 다음과 같습니다.
- 보호막 녹아내림 : 배터리 온도가 너무 상승하면, 보호막이 녹아 내리기 시작한다. 보호막의 기능이 떨어져 내부 단락 등과 같은 이상 현상이 발생하는 것을 효과적으로 막지 못한다.
- 가스 발생: 일부 배터리 화학 물질(특히 전해질)은 가혹한 조건(고온)에서 가스를 생성한다. 특히 리튬 이온 배터리는 과열 중에 산소와 수소 가스를 생성할 수 있다. 이러한 가스가 축적되면 배터리 내부의 압력이 증가하여 배터리 케이스가 부풀어오르거나 배기되거나 심지어 파열될 수도 있다.
- 열폭주 피드백 루프: 일단 시작되면 열폭주는 온도가 증가하면 가속화된 전기화학 반응과 가스 발생을 통해 추가 열 발생으로 이어지는 포지티브 피드백 루프를 생성할 수 있다. 이로 인해 배터리 내부의 온도와 압력이 스스로 지속적으로 증가하여 제어하지 않으면 치명적인 고장이 발생할 수 있다.
- 발열 반응: 일부 배터리 화학 물질, 특히 리튬이나 리튬 화합물과 같은 반응성 물질을 포함하는 배터리 화학 물질은 고온이나 기계적 손상과 같은 특정 조건에 노출되면 발열 반응을 겪을 수 있다. 이러한 발열 반응은 열을 발생시키고 열폭주에 더욱 기여할 수 있다.
다음 시간에 계속(to be continued)….
