급속 충전 전기 자동차(EV)의 전망은 매우 매력적이며, 특히 루시드 에어 퓨어에 탑재된 것과 같은 고출력 350킬로와트 급속 충전기를 활용하면 더욱 그렇습니다. 이러한 유형의 충전기는 단 15분 만에 차량의 배터리 잔량을 80%까지 끌어올릴 수 있어 기존 연료 차량에 비해 전기차의 전원을 보충하는 데 필요한 전체 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
전기차 충전의 실용성은 필연적으로 배터리 용량의 감소로 이어질까요? 이 질문에 답하기 위해 조사해 보겠습니다.
DC 고속 충전이란 무엇이며 어떻게 작동하나요?
전기차 배터리의 내구성을 보다 포괄적으로 이해하려면 고속 충전과 그 작동에 대한 지식이 필수적입니다. 일반적으로 전기차 배터리를 충전하는 방법에는 레벨 1, 레벨 2 및 레벨 3 충전으로 지정된 세 가지 기본 접근 방식이 있습니다. 이 중 초기 쌍은 교류(AC)를 사용하며, 직류(DC) 고속 충전이라고도 하는 레벨 3 충전은 직류를 사용하는 것이 특징입니다.
이미지 출처: Jakob Härter / Flickr
레벨 1과 레벨 2 충전기의 중요한 차이점은 차량 내 리튬 이온 배터리가 교류를 직접 처리할 수 없기 때문에 차량의 온보드 충전기를 사용하여 들어오는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환한다는 데 있습니다.
레벨 3 고속 충전기는 온보드 충전기의 필요성을 우회하여 배터리 팩에 직류(DC) 충전을 제공할 수 있습니다. 이 방식을 사용하면 차량의 OEM(주문자 상표 부착 생산) 충전기의 한계를 초과하는 높은 전류와 전압으로 급속 충전할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리는 시간이 지남에 따라 용량이 줄어드는 이유는 무엇인가요?
리튬 이온 배터리는 산화 환원이라는 과정을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이론적으로는 이 반응이 무한정 지속될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 리튬 이온 배터리는 무한정 전력을 공급할 수 없다는 것은 잘 알려져 있습니다. 궁극적인 성능 저하와 성능 저하의 원인은 아직 밝혀지지 않았습니다.
전기 자동차의 리튬 이온 배터리 작동과 관련된 리튬 이온 추출 공정에는 충전 및 방전 주기 동안 발생하는 수많은 화학 반응이 수반됩니다. 이러한 반응에는 전력을 생성하는 반응과 리튬 이온을 소비하는 반응이 모두 포함되며, 시간이 지남에 따라 배터리 용량이 감소하게 됩니다.이러한 용량 손실은 전기차 충전 괴담과 같은 현상의 분류에도 불구하고 검증 가능한 사실입니다.
앞서 언급한 반응은 여러 환경 요인에 따라 다양한 속도로 발생하며 배터리 수명을 연장하기 위해 취할 수 있는 조치가 존재한다는 점을 인정하는 것이 필수적입니다.
대부분의 배터리 생산업체는 자사 제품이 최적으로 작동하는 온도 범위를 제공합니다. 이러한 온도 범위는 배터리의 화학 성분에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 -4~140도의 방전 범위와 0~45도의 충전 범위를 포함합니다.
지정된 작동 온도 범위는 더 좁은 열 스펙트럼 내에서 배터리를 안전하게 충전할 수 있음을 나타내며, 이 범위를 벗어나 충전할 경우 리튬 이온 소비 증가, 배터리 수명 감소, 에너지 저장 용량 감소 등의 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리를 고속 충전할 때 어떤 일이 발생하나요?
급속 충전 시 리튬 이온 배터리의 성능 저하의 근본이 되는 복잡한 메커니즘과 전체 성능에 미치는 영향에 대한 설명으로, 에너지 저장 능력 저하를 초래하는 근본적인 원인을 밝히는 데 중점을 둡니다.
고전류 및 고전압으로 인한 배터리 전극 손상
급속 충전에 고전압 전류를 사용하면 음극이 더 강한 이온 인력을 받기 때문에 음극의 구조적 열화를 초래합니다. 충전 과정에서 양극에 리튬 이온이 축적되면 전극 표면에 덴드라이트가 형성됩니다. 이러한 균열과 수상돌기 증식은 리튬 이온 배터리의 에너지 저장 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 전기 저항을 증가시키는 원인이 됩니다.
고온 열화
배터리를 급속 충전하면 배터리의 고유 저항이 높아집니다. 이 증가된 저항과 급속 충전 중 상당한 전류 흐름으로 인해 배터리 내에서 상당한 양의 열이 발생합니다. 이러한 과도한 온도는 리튬 이온 배터리의 성능을 저하시킵니다.
저온 리튬 도금
저온에서 리튬 이온 배터리를 고전류로 급속 충전하면 양극에 리튬 혈전이 형성되어 양극 물질에 리튬 이온이 삽입되는 것을 방해합니다. 결과적으로 전극 표면이 비활성 상태가 되어 전기 에너지를 생산할 수 없는 불활성 리튬 금속 층이 형성됩니다.
전기차 배터리 팩의 이해
이미지 출처: Tennen Gas/ Wikimedia Commons
앞서 언급한 성능 저하 메커니즘 목록을 살펴보면 고속 충전이 전기차의 수명에 해로운 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있습니다. 그러나 전기 자동차(EV) 배터리 팩에는 이러한 성능 저하를 방지하거나 완화하기 위한 보호 조치가 장착되어 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 고속 충전이 전기차에 해롭다는 결론에 도달하기 전에 이러한 배터리 팩이 성능 저하에 대처하고 시간이 지남에 따라 배터리의 무결성을 보장하기 위해 어떻게 구성되어 있는지 고려할 필요가 있습니다.
전기 자동차(EV) 배터리 팩은 모듈로 배열된 여러 개의 리튬 이온 셀로 구성됩니다. 그런 다음 여러 모듈을 결합하여 배터리 팩을 구성하고 배터리 관리 시스템(BMS)에 의해 전체 충전 상태를 모니터링하고 제어합니다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 개별 셀의 전압, 전류 및 온도를 감지하도록 구성된 여러 센서와 인터페이스된 계산 장치로 구성됩니다. 시스템은 이러한 판독값을 처리하여 모든 셀이 최고 효율로 작동할 수 있도록 합니다.
배터리 팩 내의 개별 셀 온도가 상승하면 배터리 관리 시스템(BMS)이 냉각을 강화하여 해당 온도를 낮추기 위한 조치를 취합니다. 직류(DC) 고속 충전 중 배터리 전압 또는 전류 수준이 높은 것을 BMS가 감지하면 배터리에 대한 잠재적 손상을 방지하기 위해 두 매개변수를 모두 조정합니다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 전기차 배터리의 성능 저하를 최소화하는 데 중요한 역할을 하므로 전기차 시스템 내에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.
고속 충전은 전기차 배터리에 얼마나 많은 손상을 주나요?
고속 충전으로 인해 차량이 얼마나 많이 손상되는지 보여주는 몇 가지 연구를 살펴봅시다. 2012년형 닛산 리프 전기차 4대를 애리조나주 피닉스에서 아이다호 국립 연구소 에서 주행했습니다. 두 대의 차량은 DC 급속 충전으로 충전하고 나머지 두 대는 AC 레벨 2 충전으로 충전한 후 다음과 같은 결과를 얻었습니다:
⭐ 두 차량 세트의 용량 테스트는 50,000마일을 주행한 후 수행되었으며, 고속 충전과 AC 레벨 2 충전을 사용하여 충전한 차량 간의 용량 손실 차이는 3~9% 범위인 것으로 확인되었습니다.
이미지 출처: 아이다호 국립 연구소
⭐ 고속 충전으로 충전한 차량은 45마일의 정속 주행 시 주행 가능 거리가 70마일, AC 레벨 2로 충전한 차량은 82마일을 주행할 수 있었습니다. 
이미지 출처: 아이다호 국립 연구소
⭐ 테스트 시작 시 DC 고속 충전으로 충전한 차량은 45마일의 일정한 속도로 주행할 때 102마일의 주행 거리를 제공했습니다. 63,000마일의 테스트를 완료한 후 동일한 차량은 58마일의 주행 거리를 제공했습니다. 주행 거리가 43% 감소한 것으로 나타났습니다. AC 급속 충전으로 충전한 차량의 주행 가능 거리는 104마일이었으며, 테스트를 완료한 후에는 64마일로 감소했습니다. 38%의 주행거리 저하를 겪었습니다. 
이미지 출처: 아이다호 국립 연구소
사용된 충전 방식에 관계없이 배터리 성능 저하는 여전히 발생합니다. 그러나 차량이 표준 충전 방식에 비해 급속 충전을 할 경우 성능 저하 속도가 약 5% 증가합니다.
리튬 이온 배터리에서 급속 충전의 의미
위 실험과 별도의 실험에서 두 개의 닛산 리프 배터리 팩을 아이다호 국립 연구소 에서 실험실 조건에서 테스트했습니다. 하나는 DC 급속 충전이 가능했고 다른 하나는 AC 충전만 가능했습니다. 이 테스트의 목표는 이전 실험에서와 같이 각 셀이 아닌 전체 팩에 어떤 일이 일어나는지 확인하는 것이었습니다.
⭐ AC 충전으로 충전한 팩은 780회 충전-방전 사이클을 완료한 후 23.1%의 용량 감소를 보였습니다. 고속 충전으로만 충전한 팩은 28.1%의 용량 감소를 보였습니다. 
이미지 출처: 아이다호 국립 연구소
다양한 온도에서 배터리의 에너지 저장 능력과 테스트 셀의 전력 유지 능력을 대조했을 때 저장 용량과 온도 간에 양의 상관관계가 관찰되었습니다. 테스트 온도가 높아질수록 “용량 페이드”라고도 하는 용량 손실률이 더 뚜렷해지는 것으로 나타났습니다. 반대로 셀을 표준 실내 온도인 화씨 68도(섭씨 20도)에 노출했을 때는 용량 페이드가 눈에 띄게 감소했습니다.
이 데이터는 배터리 성능 저하와 온도 사이에 강력한 양의 상관관계가 있음을 나타내며, 이는 급속 충전이 다른 요인에 비해 배터리 성능 저하의 원인이 될 가능성이 낮다는 것을 나타냅니다.
6,000개의 전기차 배터리가 알려주는 전기차 배터리 상태
이미지 출처: Geotab
차량 관리 전문 기업 Geotab이 전기차(EV)의 배터리 상태에 관한 데이터를 추가로 조사한 결과 급속 충전이 리튬 이온 배터리의 열화 과정을 상당히 가속화한다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 급속 충전이 배터리 시스템의 수명에 미치는 해로운 영향을 강조하는 이전 연구 결과를 확증하고 이러한 성능 저하를 최소화하기 위해 효과적인 배터리 관리 시스템(BMS)이 매우 중요하다는 점을 강조합니다.
DC 고속 충전은 전기 자동차에 나쁜가요?
전기 자동차(EV)의 배터리는 시간이 지남에 따라 고갈되기 쉽습니다. 그러나 이러한 용량 감소 속도는 다양한 요인에 의해 영향을 받는데, 그 중 고속 충전이 가장 큰 영향을 미칩니다.
급속 충전을 신중하게 사용하면 배터리 주행 거리가 크게 감소하지 않으며, 장거리 여행 시에는 충전 시간을 단축하기 위해 급속 충전을 사용할 수 있다는 점을 명심해야 합니다.