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"아까는 배터리 80%였는데 갑자기 13%? 이제 바꿀 때가 됐나?"

스마트폰을 오래 쓰면 배터리 용량이 제대로 측정되지 않는 일이 일어나 예상치 못한 순간에 방전돼 곤란한 상황에 처하기도 함. 배터리 상태를 정확히 파악해 이런 문제를 예방할 수 있는 기술이 나왔음.

미국 스탠퍼드대학 지구·에너지 및 환경과학대학 연구진이 이같은 연구 결과를 15일 발표했음.

리튬이온이 충전·사용 중에 내부의 양극과 음극을 움직이며 리튬 이온 배터리가 충·방전됨. 이 과정을 반복하고 열에 노출되면서 양·음극, 전해액, 분리막이 조금씩 변형돼 수명이 줄어들게 됨. 이 과정에서 기체가 발생하면 부풀어 오르기도 함.

오랜 사용으로 배터리의 성분·구조가 변형되면, 원래는 잘 작동하던 용량 측정 회로의 정확도가 떨어지기도 함.

노트북, 스마트 폰, 무선 이어폰 등 리튬이온 배터리 사용처는 늘어나고 있음. 현재 상용화된 전기 자동차에도 리튬 이온 배터리가 쓰이는데, 주행 중인 전기차가 갑자기 꺼지면, 사고로 이어질 수 있음.

이러한 이유로 안전을 위해 배터리 관리를 위한 안전 기능이 전기자동차에 설치돼 있지만, 배터리 용량을 정확히 알면 관리가 용이하고 환경에도 도움이 됨. 정확한 데이터를 바탕으로 효율적인 에너지 관리를 할 수 있기 때문임.

스탠퍼드 연구진은 현재 배터리의 상태를 실시간으로 예측할 수 있는 알고리즘을 개발했음. 이번 알고리즘은 센서 데이터를 배터리 상태 모델에 적용해 남은 용량과 충전 양을 파악함. 알고리즘의 오차는 실제 배터리 상태의 2% 이내였음.

연구진에 따르면 기존 알고리즘은 배터리 내부의 리튬양이 변하지 않는다고 가정함. 이번 연구에 참여한 애니루드 알람(Anirudh Allam)은 "실제로는 배터리 수명이 저하되며 (이용 가능한) 리튬이 줄어든다"며 "이러한 가정 때문에 배터리 용량 관리의 정확도가 떨어지게 된다"고 설명함.

연구진은 리튬 농도 추정치와 전극 상태 전용 알고리즘을 이용해 정확도를 높이고 상용 전기차를 이용해 테스트했음.

이들은 전기자동차에 일반적으로 사용되는 리튬·니켈·망간·코발트를 이용해 실험했지만, 다른 리튬 이온 배터리에도 이번 연구 결과를 적용할 수 있다고 주장했음.

본 연구 성과는 ‘IEEE Transactions on Control Systems Technology’ 지에 게재됨