신에너지 자동차 산업이 활발히 발전하는 현 시대에 핵심 전원인 리튬{0}}이온 배터리는 충전 효율성과 수명의 균형을 맞추는 중요한 과제에 직면해 있습니다. 더 긴 주행 거리와 더 빠른 충전 속도에 대한 소비자의 요구가 증가하고 시장이 배터리 수명과 비용{2}}효율성에 중점을 두면서 리튬{3}}이온 배터리 충전 기술은 엄청난 혁명을 겪고 있습니다. 배터리 수명을 연장하면서-고효율 충전을 보장하는 방법은 업계에서 해결해야 할 시급한 문제가 되었습니다.
I. 고속 충전 기술: 효율 향상의 원동력
최근 몇 년 동안 리튬{0}}이온 배터리의 고속 충전 기술이 크게 발전했습니다. CATL을 예로 들어 보겠습니다. 'Shenxing' 초{3}}초고속 충전 배터리는 '400-km 주행 거리를 10-분 충전'하는 초고속 충전 속도를- 달성했습니다. -10도의 추운 환경에서도 30분 이내에 용량의 80%까지 충전할 수 있습니다. 2024년 4월 CATL은 Shenxing PLUS 배터리를 출시하여 10분 이내에 용량의 60%까지 충전하는 초고속 충전 특성을 유지하면서 주행 거리를 1000km까지 더욱 향상시켰습니다. 또한 CATL과 SAIC-GM은 2025년에 업그레이드된 Ultium quasi-900V 고전압 배터리 아키텍처에 사용될 예정인 6C 초고속 충전 인산철리튬 배터리를 출시하기 위해 협력했습니다. 이 배터리는 10분 이내에 완전히 충전되어 5분 이내에 200km의 주행 거리를 추가할 수 있습니다.
펜실베니아 주립대학교 왕차오-교수가 이끄는 연구팀도 눈부신 성과를 거두었습니다. 충전 전 배터리를 60도까지 급속 가열한 뒤 10분 동안 급속 충전한 후 상온까지 급격하게 냉각시키면 배터리의 열적 열화를 피할 수 있고, 고체전해질계기(SEI)막의 심각한 성장도 방지할 수 있다는 사실을 발견했다. 연구팀은 반복 테스트를 거쳐 20도 충전을 대조군으로 하여 40도, 49도, 60도에서 세 가지 유형의 전원 배터리에 대한 등온 충전 테스트를 수행했습니다. 이후 배터리를 분해해 리튬 도금 여부를 확인했다. 결과에 따르면 60도에서 10분간 초고속 충전(6C, 4.2V)을 2,500회 실시한 후에도 209Wh/kg 용량의 고밀도-에너지-배터리는 여전히 91.7%의 용량을 유지하고 8.3%의 용량 손실만 발생하는 것으로 나타났습니다. 이는 미국 에너지부(DOE)가 설정한 '500사이클, 20% 용량 손실' 목표를 훨씬 초과한 수치이며, 충전 과정에서 리튬 도금이 전혀 관찰되지 않았다.
XPENG 및 NIO와 같은 브랜드도 초고속 충전 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다.- XPENG는 최대 출력 전력이 480kW이고 최대 출력 전류가 670A인 S4 초고속 충전 파일을 출시했습니다. 이 시스템은 충전 후 5분 이내에 자동차가 200{14}km의 주행 거리를 제공할 수 있습니다. 공식 성명에 따르면 4C 모델은 15분 이내에 10%에서 80%까지 충전할 수 있으며, 이는 전 세계에서 가장 빠른 대량 생산 전기 자동차 충전 속도라고 주장됩니다. 3C 모델에는 800V 고전압 플랫폼도 장착되어 있으며 최대 충전 전력은 약 300kW입니다. 충전 후 5분 이내에 주행거리 130km를 추가할 수 있으며, 20분 만에 10%에서 80%까지 충전할 수 있다.
II. 고속 충전이 배터리 수명에 미치는 영향
고속 충전 기술은 충전 효율을 크게 향상시키지만 배터리 수명에 미치는 영향을 무시할 수 없습니다. 고속 충전 중에는 큰 전류로 인해 리튬 이온이 양극에 빠르게 매립됩니다. 온도 제어가 부적절할 경우 리튬 금속이 양극 표면에 침전되어 잠재적으로 분리막에 구멍을 낼 수 있는 수지상 돌기가 형성되어 내부 단락이 발생하고 배터리 성능 저하가 가속화될 수 있습니다. 또한, 급속 충전 시 발생하는 열이 시간 내에 소멸되지 않으면 전해질의 분해와 전극 소재의 노화를 가속화시켜 배터리의 사이클 수명을 단축시킬 수 있습니다.
한 조사에 따르면, 일일 평균 주행 거리가 100km 이상인 순수 전기 자동차를 이용하는 차량 호출 운전자의 경우 초고속 충전 사용 비율이-70%를 넘는 것으로 나타났습니다. 온보드 전원 배터리의-상태는 신차의 100%에서 2년 만에 85%로 떨어졌으며, 연평균 감소율은 7.5%였습니다. 그러나 칭화대학교 Ouyang Minggao 교수팀의 최신 연구에 따르면 120kW 이상의 초고속 충전을 자주 사용하면 완속 충전에 비해 배터리 주기 수명이 40% 단축될 수 있는 것으로 나타났습니다.
그럼에도 불구하고 일부 연구에서는 고속 충전이 배터리 수명에 미치는 영향이 절대적이지 않다는 사실을 지적합니다. Recurring Automatic이 수만 대의 Tesla를 대상으로 실시한 추적 연구에 따르면 고속 충전과 저속 충전 간의 배터리 수명 차이는 실제로 무시할 수 있는 수준인 것으로 나타났습니다. 하루에 1~2회 빠르게 충전되는-상업용 차량 호출- 차량의 경우에도 배터리 교체 주기는 개인용 자동차와 유사합니다. 이는 주로 고속 충전의 부정적인 영향을 효과적으로 완화하는 효율적인 온도 제어 시스템에 기인합니다.
III. 효율성과 수명의 균형을 위한 기술 전략
빠른 충전 효율성과 배터리 수명 사이의 균형을 찾기 위해 업계와 기업은 일련의 기술 전략을 채택했습니다.
소재 혁신 측면에서 CATL의 초고속 충전 기술은 초-전자 네트워크 음극 기술과 2세대-흑연 고속 이온 링 양극 기술을 사용하여 전기화학 반응 효율과 충전 효율을 더욱 향상시킵니다. 완전히 나노미터화된 재료 표면을 갖춘 초-전자 네트워크는 잘 연결된 전자 네트워크를 구축하여 충전 신호에 대한 양극 재료의 응답 속도와 리튬 이온 탈착 속도를 크게 향상시킵니다. 양극재 표면의 빠른 이온 링-개질 다공성 코팅층은 리튬 이온 교환을 위한 풍부한 활성 사이트를 제공하여 리튬 이온 전하 교환 속도 및 매립 속도를 크게 증가시킵니다.
배터리 구조 설계에서 Chao-Yang Wang 교수팀은 '전-기후' 배터리를 개발했습니다. 배터리 내부에 50-마이크로미터-두께의 니켈 포일을 삽입했는데, 이는 효과적으로 자체 발열이 가능합니다.{10}} 저온에서 전류를 켜면 니켈 포일을 통해 흐르면서 열이 발생합니다. 배터리 내부 온도가 60도를 초과하면 온도 센서가 작동하여 니켈 포일을 통해 흐르는 전류를 차단합니다. 이 배터리는 정상 온도에서 성능과 수명을 저하시키지 않으면서 30초 이내에 60도까지 자체 발열할 수 있습니다. 이 공정에는 외부 가열 장비의 도움이나 전해질에 특수 첨가제를 추가할 필요가 없습니다.
배터리 열 관리 시스템(BMS)과 관련하여 일부 자동차 제조업체에서는 '초-초고속 충전 보호 모드'를 도입했습니다. 배터리 충전량이 20% 미만이면 일부 배터리 손상 문제를 방지하기 위해 충전 전력이 60kW로 제한됩니다.- 다른 업체에서는 배터리 예열-기술을 채택하여 -10도 환경에서 고속 충전 효율을 35% 향상시키는 동시에 배터리 감쇠율을 30% 줄입니다.
IV. 사용자 활용 전략 및 산업 전망
사용자의 경우 배터리 수명을 연장하려면 고속 충전을 합리적으로 사용하는 것이 중요합니다. 북경대학교 신에너지 재료 및 기술 연구소 소장인 Qilu 교수는 자동차 소유자가 초고속 충전 사용 비율을 40% 이내로 제한해야 한다고 말했습니다.- 시간이 허락한다면 완속충전을 최대한 활용하는 것이 좋다. 특히, 배터리 충전량이 10% 미만이거나 90% 이상일 때는 초{5}}초고속 충전을 피해야 합니다. 이 범위에서 초고속 충전을 사용하면 배터리가 더 크게 손상될 수 있기 때문입니다.
업계 관점에서 볼 때, 배터리 리스 모델 도입 등 상용 모델 혁신을 통해 자동차 제조사는 '제품 판매'에서 '서비스 판매'로 전환할 수 있다. 차량-배터리 분리 모델은 배터리 보증에 대한 사용자의 민감도를 줄이는 동시에 기업이 고속 충전 기술의 성숙도를 향상하도록 유도할 수 있습니다.
앞으로는 지속적인 기술 발전을 통해 리튬{0}}이온 배터리의 빠른 충전 효율과 배터리 수명 간의 균형이 더욱 최적화될 것입니다. 실리콘{2}}기반 양극, 전고체-배터리 등 신소재 및 기술의 등장으로 급속 충전으로 인한 수명 문제가 근본적으로 해결될 것으로 기대됩니다. 동시에 지능형 온도 제어 시스템, 동적 전력 조정 및 기타 기술의 지속적인 개선은 리튬{5}}이온 배터리의 충전 기술 혁명을 더욱 강력하게 지원할 것입니다.
이러한 충전 기술 혁명에서 리튬{0}}이온 배터리는 점차 효율성과 수명 간의 완벽한 균형을 향해 나아가고 있습니다. 업계와 기업은 지속적으로 혁신해야 하며, 사용자도 이를 합리적으로 활용하여 신에너지 자동차 산업의 지속 가능한 발전을 공동으로 촉진해야 합니다.
