리튬 배터리는 상업용 및 산업용 에너지 저장 시스템에서 에너지 저장 매체로 사용되며, 에너지 솔루션의 효율성, 비용, 지속 가능성은 배터리의 운용 효율에 달려 있습니다. 안정적인 에너지 공급을 중시하는 기업의 경우, 리튬 배터리의 사이클 수명을 연장하는 기술적 과제는 에너지를 환경 친화적으로 사용하기 위해 필수적입니다.

산업 및 상업용 에너지 저장 분야에서 리튬 배터리 에너지 저장 기술이 1세대에서 4세대로 진화하는 과정을 처음으로 지원하고 증언한 기업으로서, 당사인 Origotek Co. Ltd는 업계와 상업용 에너지 저장 분야에서 16년간의 깊이 있는 경험을 바탕으로 맞춤형 에너지 솔루션을 제공해 왔습니다. 이를 통해 피크 절감, 백업 전원 공급, 가상 발전소(VPP) 등에서 에너지 수요와 배터리 수명 간의 균형을 조절하는 데 기여하였으며, 에너지 배터리 성능에 대한 인사이트 기반 최적화를 수행하였습니다. 본 문서에서는 산업 현장의 사례와 기술 혁신을 결합하여 리튬 배터리의 사이클 수명 저하 핵심 요인과 사이클 수명 관련 산업 현장 적용 사례를 설명합니다.

1. 리튬 배터리 사이클 수명에 영향을 미치는 핵심 요인

리튬 배터리의 사이클 수명은 배터리가 초기 용량의 80%에 도달하기 전까지 수행할 수 있는 충전-방전 사이클 횟수로 정의된다. 사이클 수명을 정의하는 산업 표준으로 80% 기준이 일반적으로 사용된다. 이 지표에는 여러 가지 상호 연관된 요소들이 있으며, 이러한 요소들을 명확히 이해하고 설명하는 것은 배터리 수명을 연장하기 위한 기초가 된다.

1.1 전극 소재 열화

리튬 배터리의 양극과 음극은 리튬 이온이 삽입 및 탈삽입되는 핵심 부위이다. 수많은 사이클을 거치면서 전극 소재(리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염 등)의 결정 구조가 붕괴되고, 사용 가능한 리튬 이온의 수가 감소한다. 예를 들어, 상용 에너지 저장 제품에서 장기간 고전류 충전 시 음극에서 '데드 리튬(dead lithium)' 형성이 가속화된다. '데드 리튬'이란 양극으로 다시 재삽입되지 못하는 리튬 이온을 의미하며, 이로 인해 배터리 용량과 사이클 수명이 크게 저하된다.

1.2 충방전 관리 오류

배터리 수명이 단축되는 가장 흔한 원인 중 하나는 충방전 파라미터의 부적절한 설정이다. 과충전(전압 제어 상실)은 전해질의 분해와 함께 전극 재료의 산화를 유발할 수 있으며, 과방전(컷오프 전압 이하에서의 제어 상실)은 음극에 돌이킬 수 없는 손상을 초래한다. 실제 상황에서 일부 기업들은 배터리 사양과 배터리 충전 장비 간의 적합성을 소홀히 하여 과충전/과방전 상황을 초래하기도 한다. 이는 산업용 및 상업용으로 설치된 배터리 시스템의 사이클 수명에 특히 해롭다.

1.3 환경 온도의 변동

온도 제어는 리튬 배터리 시스템에서 중요한 기능입니다. 온도가 45°C를 초과하면 배터리 전해질이 매우 유동적으로 되고, 원치 않는 전해질 분해 및 전극의 부식을 포함한 부반응이 발생합니다. 반대로 0°C 이하의 저온에서는 리튬 이온의 이동이 정지되고 간섭 삽입(intercalation)이 불완전하게 되어 내부 저항이 증가하게 됩니다. 온도 조절이 이루어지지 않는 극단적인 배터리 시스템의 경우, 배터리 사이클 수명이 30%~50%까지 단축될 수 있으며, 다양한 지리적 여건을 고려할 때 에너지 저장 및 산업·상업용 응용 분야에서 여전히 중요한 문제로 남아 있습니다.

2. 리튬 배터리 사이클 수명을 최대화하기 위한 기술적 전략

The Origotek Co., Ltd.는 위의 요인에서 비롯된 최적화 노력을 제4세대 산업용 및 상업용 에너지 저장 제품의 R&D 및 설계에 통합하였습니다. 이러한 전략들은 복잡한 적용 시나리오에서도 배터리 사이클 수명을 향상시키고 안정성을 유지하는 데 목적이 있습니다.

2.1 전극 소재 배합 최적화

제4세대 제품의 경우, 양극에는 결정 구조의 안정성을 강화하기 위해 미량의 니오븀을 추가하여 전극 소재 비율을 조정하였으며, 음극에는 '데드 리튬(dead lithium)' 형성을 최소화하기 위해 다공성 탄소 코팅을 적용하였습니다. 이를 통해 표준 충방전 조건에서 당사의 산업용 및 상업용 에너지 저장 배터리의 사이클 수명이 3세대 대비 20% 이상 증가하여 현재 6,000회를 초과하게 되었습니다.

2.2 지능형 충방전 관리 시스템 도입

산업용 및 상업용 애플리케이션을 위해, 우리는 임의의 충전 상태(SOC) 및 온도 조건에서 전류와 전압의 매개변수를 독립적으로 결정하고 조정하는 맞춤형 충방전 관리 시스템(C&DMS)을 개발하였습니다.
• 충전 중일 때, SOC가 80% 이상이면 과충전을 방지하기 위해 정전류 모드로 전환됩니다.
• 방전 중일 때, SOC가 20% 이하이면 과방전을 방지하기 위해 회로가 차단됩니다.
• 에너지 관리 시스템과 실시간으로 통신이 가능하며, SOC 기반 최적화된 피크 저감 기능을 통해 가상 발전소 예약 운전을 위한 방전 및 충전 전략을 개선합니다.

2.3 능동 온도 제어 기술 채택

모든 산업용 및 상업용 에너지 저장 장치는 온도 균등화 기능을 갖추고 있습니다. 따라서 에너지 저장 장치는 냉각 및 가열 기능을 포함한 듀얼 모드 능동 온도 제어 시스템을 탑재하고 있습니다.
• 고온 조건에서 온도 제어 방식의 액체 열교환기를 통한 냉각을 통해 배터리 온도를 25~35°C 범위 내로 유지합니다.
• 저온 조건에서는 PTC 히터와 열교환기를 이용하여 배터리를 가열하고 5°C 이상으로 유지합니다. 구체적으로 충전 전에 배터리가 리튬 이온의 삽입이 가능하도록 정상 작동 온도인 5°C 이상이 될 때까지 가열합니다.

이는 극단적인 온도 환경에서도 시스템의 수명과 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

3. 산업용 및 상업용 에너지 저장 장치에서 수명 연장 전략의 적용

산업 및 상업 분야에서의 지속 가능한 에너지 사용을 고려할 때, 긴 수명의 배터리는 단지 전체 방정식의 일부에 불과합니다. 배터리 관리와 수요 에너지 관리의 통합이 핵심입니다. 이는 오리고텍 주식회사(Origotek Co., Ltd.)가 여러 고객 사례를 통해 검증하였습니다.

예를 들어, 산동성의 맞춤형 에너지 저장 시스템 가상 발전소 프로젝트(10MWh)에서는 배터리 수명 전략을 최적화함으로써 상당한 성과를 거두었습니다. 지능형 BMS와 온도 제어 시스템을 통해 배터리는 2년 후에도 초기 상태 대비 90% 이상의 사이클 수명을 유지했으며(1,500회 이상 사이클), 고객의 에너지 운용 효율은 15% 향상되었고, 배터리 교체 비용은 거의 40% 감소했습니다.

또 다른 천진 소재 제조 기업의 부하 평준화 프로젝트에서는, 당사의 4세대 산업용 및 상업용 에너지 저장 제품이 기업의 생산 일정에 따라 충방전 주기를 조정함으로써 해당 기업의 에너지 전환을 원활하게 지원했습니다. 배터리 시스템은 안정적으로 4년간 운영되어 왔으며, 기업의 에너지 전환 노력을 매끄럽게 뒷받침하고 있습니다.

결론

리튬 배터리의 사이클 수명은 소재 기술이 통합되고, 스마트 관리가 적용되며, 모든 환경 요인이 고려될 때 달성된다. 실용적인 측면에서 에너지 저장 비용의 감소와 배터리 수명 연장은 산업 및 상업 기업 모두에게 윈윈 효과를 제공한다.

산업용 및 상업용 에너지 저장 시장에서, The Origotek Co., Ltd는 적극적으로 축적된 에너지 저장 기술과 전문성을 바탕으로, 제4세대 에너지 저장 시스템의 진화에 부합하는 맞춤형 배터리 성능 최적화 솔루션 설계에 지속적으로 집중할 예정이다. 우리는 개발도상국 사회에서 에너지 지속 가능성을 위한 투자 여정에 있는 산업 및 상업 분야 고객들에게 에너지 저장 시스템을 통해 계속해서 지원할 것이다.