배터리 노화 — 구슬은 줄고 선반은 금 간다

2년 쓴 휴대폰이 먼저 닳는 까닭

새 휴대폰은 아침에 가득 채워 나가면 밤까지 버팁니다. 2년쯤 지나면 똑같이 쓰는데도 저녁이 오기 전에 충전기를 찾게 됩니다. 화면 밝기도, 쓰는 앱도 그대로인데 하루가 짧아집니다.

그동안 배터리 안에서는 두 가지가 함께 일어납니다. 가득 채웠을 때 꺼내 쓸 수 있는 양이 줄고, 같은 양을 꺼내는 일이 힘들어집니다 (DOI: 10.1016/j.est.2022.105634). 이 두 변화가 어디서 오고 무엇이 그 속도를 바꾸는지, 그 상태를 누가 어떻게 가늠하는지가 이 글의 줄기입니다.

대상은 오늘 휴대폰과 전기차에 들어가는 리튬이온 배터리입니다. 어떻게 충전해야 하는지는 다루지 않고, 무엇이 일어나는지를 근거가 잰 조건째 옮깁니다.

늙음은 두 숫자로 드러납니다

배터리가 늙었다는 말은 숫자 두 개로 옮겨집니다. 오래 쓴 배터리는 담을 수 있는 양이 줄고 저항이 커집니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2025.100410).

용량 감소(capacity fade)는 배터리를 가득 채웠다가 끝까지 꺼낼 수 있는 양이 새것 때보다 줄어드는 일입니다. 하루가 짧아진 휴대폰에서 먼저 보이는 것이 이쪽입니다. 이 양을 어떤 단위로 적는지는 이 시리즈의 다른 편, 배터리 숫자 읽기를 다룬 편이 다룹니다.

둘째 숫자에는 전기를 다룬 앞선 글들에서 쓴 말 셋이 필요합니다. 전류는 전선을 따라 흐르는 전기의 흐름으로, 한 지점을 1초에 얼마나 지나가는지를 암페어라는 단위로 잽니다. 전압은 두 지점 사이에서 전기를 흐르게 하는 차이로, 볼트라는 단위로 잽니다. 저항은 기구나 전선이 전류의 흐름을 막는 정도로, 옴이라는 단위로 잽니다.

내부 저항(internal resistance)은 배터리 자체가 안에서 전류의 흐름을 막는 정도입니다. 전류를 꺼낼 때 이 저항 때문에 배터리 안에서 전압 일부가 깎이고, 깎인 몫은 열이 됩니다. 내부 저항이 커지면 같은 전류를 꺼내도 열이 더 나고, 배터리가 한꺼번에 내보낼 수 있는 전력의 한도, 곧 출력도 줄어듭니다.

정상적으로 쓰는 동안 배터리를 늙게 하는 기전으로는 주된 것 다섯과 부차적인 것 열셋이 꼽힙니다. 이것들이 드러나는 모습은 다섯 가지로 모이고, 바깥으로 드러나는 대표적인 결과가 용량이 주는 것과 출력이 주는 것입니다 (DOI: 10.1039/d1cp00359c). 원인은 많은데 대표로 보이는 숫자는 둘이라, 숫자만 보고는 밑에서 무엇이 일어났는지 가려낼 수 없습니다. 원인을 가려내는 데는 따로 고안한 측정이 쓰입니다 (DOI: 10.1039/d1cp00359c).

한 칸 안에서 오가는 구슬

셀은 배터리를 이루는 가장 작은 한 칸으로, 양극과 음극, 그 사이를 채운 전해질과 둘을 가르는 분리막이 한 통 안에 들어 있습니다. 늙는 일은 이 한 칸 안에서 일어납니다. 그 안을 오가는 주인공은 리튬 이온입니다. 리튬 이온은 리튬 원자가 전자 하나를 내놓아 + 전기를 띤 알갱이입니다.

양극은 셀의 + 쪽 전극으로, 방전할 때 리튬 이온이 돌아와 자리를 잡는 곳입니다. 음극은 셀의 − 쪽 전극으로, 충전할 때 리튬 이온이 건너와 머무는 곳입니다. 오늘 쓰는 셀의 음극은 대개 흑연이고, 보통 빠르기로 충전하면 리튬 이온은 흑연 안으로 들어가 자리를 잡습니다 (DOI: 10.1021/acsnano.1c02942).

전해질은 두 전극 사이를 채워 리튬 이온은 지나가게 하고 전자는 건너가지 못하게 하는 물질입니다. 분리막은 양극과 음극이 서로 닿지 않게 둘 사이를 가르는 얇은 막으로, 아주 작은 구멍이 많아 리튬 이온은 지나갑니다.

이 글은 셀을 구슬이 오가는 두 선반으로 그려 봅니다. 구슬은 리튬 이온이고, 선반은 리튬 이온이 들어가 앉을 자리를 가진 두 전극입니다. 충전하면 구슬이 음극 선반으로 건너가 앉고, 방전하면 양극 선반으로 돌아옵니다. 구슬이 안쪽 전해질로 건너가는 동안 전자는 바깥 전선을 따라 돌고, 그 흐름이 우리가 쓰는 전류입니다. 구슬 하나가 안쪽으로 건너갈 때 전자 하나가 바깥으로 돌아, 둘은 늘 짝을 지어 움직입니다. 다만 실제 리튬 이온은 선반 위에 얹히지 않고 전극 물질의 층 사이로 끼어 들어갑니다. 끼어 들지 못하고 겉에 쌓이면, 뒤에서 볼 리튬 석출입니다 (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00859). 이 두 길은 셀 구조를 다룬 편이 자세히 따라갑니다.

이 그림에서 늙는 길은 둘입니다. 오갈 구슬이 줄어드는 길과, 구슬이 앉을 선반이 상하는 길입니다. 노화를 다루는 연구는 이 둘을 오갈 수 있는 리튬을 잃는 것과 리튬이 앉을 전극 물질을 잃는 것으로 나눠 셉니다 (DOI: 10.1039/d2cp00417h). 전극 물질 사이의 접촉이 나빠져 저항이 커지는 일도 함께 일어납니다 (DOI: 10.1002/admt.202502455).

구슬을 잃는 첫째 길 — 음극 표면의 막

셀을 만드는 마지막 단계에서는 전극에 전해질을 스며들게 한 뒤 천천히 몇 번 충전과 방전을 시킵니다. 이 단계의 목적 하나가 음극 표면에 막을 키우는 것입니다 (DOI: 10.1016/j.carbon.2016.04.008).

SEI는 음극 표면에 생기는 아주 얇은 막으로, 처음 몇 차례 충전하는 동안 전해질 일부가 분해되며 만들어지고 그 뒤로도 조금씩 자랍니다. 전해질은 전자를 건너 보내지 않지만, 음극 표면에서는 전자를 받아 분해되고, 그렇게 생긴 분해물이 쌓인 것이 이 막입니다 (DOI: 10.1002/aenm.202203307). 한 모형에서 이 막은 주로 충전하는 동안 자랐습니다 (DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c03927, 모형).

이 막은 셀이 제대로 돌게 해 줍니다. 막이 없으면 음극에서 전해질로 전자가 계속 넘어가 셀이 저절로 빨리 닳고 성능이 나빠지는데, 막이 그 넘어감을 막습니다 (DOI: 10.1149/2.1441707jes). 리튬 이온은 이 막을 지나 음극을 드나듭니다. 막은 셀의 오랜 성능에 꼭 필요하고, 처음 잃는 용량과 저절로 닳는 정도, 빨리 꺼내는 능력, 안전에도 영향을 줍니다 (DOI: 10.1016/j.carbon.2016.04.008).

문제는 막을 만드는 재료입니다. 막에는 리튬이 들어가고, 막에 붙잡힌 리튬은 다시 오가지 못합니다. 막이 자랄수록 오갈 수 있는 리튬이 줄어듭니다 (DOI: 10.1149/2.040310jes, 모형; DOI: 10.1149/2.1111702jes, 실험실 셀). 그림으로 보면 구슬 일부가 선반 표면의 막에 박혀 다시 오가지 못하고, 박힌 구슬만큼 옮길 수 있는 양이 줄어듭니다.

흑연 음극을 쓰는 상용 셀에서 수천 번에 걸쳐 용량이 서서히 주는 것을, 리튬이 흑연에 드나드는 반응과 경쟁하며 느리게 자라는 막 하나로 꽤 정확하게 설명하는 모형이 있습니다 (DOI: 10.1149/2.044302jes). 흑연 음극과 망간 산화물 양극으로 짠 한 모형에서는 막이 두꺼워질수록 자라는 속도가 느려졌습니다 (DOI: 10.1149/2.040310jes, 모형). 반대 방향의 결과도 있습니다. 양극에서 녹아 나온 망간이 막에 섞인 실험실 셀에서는, 충전을 멈추는 위쪽 전압을 높게 둘 때 리튬이 붙잡히는 속도가 느려지지 않고 고르게 이어졌습니다 (DOI: 10.1149/2.1111702jes). 막이 자라고 터지고 다시 메워지는 일이 되풀이된 셀도 있습니다 (DOI: 10.1002/aenm.202404997).

막 자체의 저항도 셀마다 다르게 움직였습니다. 니켈이 많은 양극과 흑연 음극으로 만든 한 실험실 셀에서는 막의 저항이 초기 몇 번 뒤로 거의 그대로였고, 꾸준히 커진 것은 입자 사이의 접촉과 리튬이 고체 안을 퍼져 나가는 쪽의 저항이었습니다 (DOI: 10.1002/admt.202502455). 급속 충전으로 늙힌 다른 실험실 셀에서는 용량이 10% 줄 때까지 막의 저항이 꾸준히 커졌습니다 (DOI: 10.1016/j.cej.2024.155588). 내부 저항이 커지는 까닭은 막 하나에만 있지 않습니다.

이 막이 무엇으로 이루어지고 어떻게 변하는지는 아직 다 밝혀지지 않았습니다. 2009년의 한 개관은 이 막을 셀에서 「가장 중요하면서 가장 덜 이해된」 부분이라 불렀습니다 (DOI: 10.1524/zpch.2009.6086). SEI는 셀이 돌게 해 주는 막이면서, 자라는 동안 오갈 리튬을 조금씩 붙잡아 두는 막입니다.

구슬을 잃는 둘째 길 — 표면에 굳는 리튬

충전을 빨리 할수록 리튬 이온이 음극으로 한꺼번에 몰려듭니다. 그 속도가 흑연 안으로 들어가는 속도를 넘으면 다른 일이 생깁니다.

리튬 석출(lithium plating)은 리튬 이온이 음극 안으로 들어가지 못하고 음극 표면에 금속 리튬으로 쌓이는 일입니다. 그림으로 보면 구슬이 선반 칸에 들지 못하고 겉에 엉겨 붙는 일입니다. 쌓인 리튬은 방전 때 다 돌아오지 않습니다. 석출됐다가 다시 녹아 나오는 과정은 되돌림이 나빠서, 석출은 용량 손실로 바로 이어집니다 (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00859). 같은 연구가 그 실험 조건에서 모형으로 구한 값으로는, 석출된 리튬 가운데 다시 녹아 나온 몫이 65%였습니다.

석출은 음극 전체에 고르게 생기지 않습니다. 빠르게 충전한 실험실 셀을 엑스선 단층 촬영으로 들여다보면, 이끼처럼 엉킨 금속 리튬 층이 음극이 분리막과 맞닿은 면에 쌓입니다. 그 층이 길을 막아, 바로 밑의 흑연 입자에는 리튬이 덜 들어갔습니다 (DOI: 10.1021/acsnano.1c02942). 표면에 한번 생긴 석출이 그 아래의 정상적인 충전을 가로막을 수 있음을 시사합니다.

석출된 리튬이 가시처럼 자랐다가 떨어져 나가면, 어디에도 이어지지 않은 「죽은 리튬」이 됩니다 (DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02898). 석출이 심하면 금속 리튬 덩어리가 전극 안에서 자라 흑연 전극을 부풀리고 금 가게 할 수 있습니다. 동전 모양 실험실 셀에서 본 이 일은 구슬을 잃는 길이 선반을 상하게 하는 길로 번질 수 있음을 시사합니다 (DOI: 10.1021/acsami.0c07803).

리튬 석출은 수명만 줄이지 않고 안전에도 영향을 줍니다 (DOI: 10.1149/2.0621506jes). 그 이야기는 이 시리즈의 다른 편, 열폭주를 다룬 편의 몫입니다.

선반이 금 가는 길 — 전극이 상한다

리튬이 빠져나가고 들어올 때마다 양극 물질의 결정은 줄었다 늘었다 합니다. 니켈이 많은 양극 물질은 리튬 금속에 견준 전위로 3.0~4.3볼트 사이를 오갈 때 결정 한 칸의 부피가 약 5.1% 변했고, 니켈이 적은 양극 물질은 약 1.2%였습니다. 니켈이 많은 쪽 입자에 미세한 금이 더 많이 생겼고, 이 쪽의 빠른 노화는 작은 결정들이 맞닿은 경계의 응력으로 입자가 쪼개지는 일과 이어져 있었습니다 (DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b12885, 실험실 셀). 선반에 금이 가면 구슬이 앉을 자리가 줄어듭니다. 늙은 셀의 저항을 얼마나 채운 상태인지 바꿔 가며 재 보면, 커진 저항은 높은 충전 상태에서 잴 때는 주로 양극에서, 낮은 충전 상태에서 잴 때는 주로 음극에서 나왔습니다 (DOI: 10.1002/admt.202502455, 니켈이 많은 양극·흑연 실험실 셀).

양극에서 녹아 나온 금속 이온은 전해질을 건너 음극의 SEI에 섞여 들어갑니다. 니켈·코발트·망간 양극을 쓴 실험실 셀에서 이 일은 충전을 멈추는 위쪽 전압, 곧 충전 상한 전압이 4.30볼트를 넘으면 눈에 띄게 빨라졌고, 4.4볼트 이상에서는 양극 입자가 더 쪼개졌고, 쪼개진 면이 새 표면이 되어 전해질 분해와 금속 용출이 늘었습니다. 막에 들어간 망간 이온 하나가 리튬 이온을 약 100개씩 더 붙잡는다고 저자들은 추정합니다. 그래도 이 셀들에서 용량 감소의 주된 몫은 음극 막에서 잃은 리튬이었습니다 (DOI: 10.1149/2.1111702jes). 선반이 상하는 길이 구슬을 잃는 길을 재촉하는 장면입니다. 노화의 여러 기전은 이렇게 서로 되먹임으로 엮여 있습니다 (DOI: 10.1039/d1cp00359c).

선반이 상해도 용량 숫자에 바로 나타나지 않을 때가 있습니다. 니켈·망간·코발트 양극과 흑연 음극으로 만든 실험실 셀을 2.5년 동안 돌리자, 셀들은 양극 물질을 꽤 많이 잃었습니다. 방전 끝을 정한 쪽이 음극이었기 때문에 이 손실은 용량에 드러나지 않았습니다. 그러나 양극 물질 손실은 양극의 부풀음, 그리고 전해질이 전극에서 빠져 마르는 일과 단단히 엮여 있었고, 저자들은 이것이 결국 급격한 고장을 부를 것이라고 적습니다 (DOI: 10.1149/1945-7111/ac4b82). 용량 숫자가 괜찮아 보여도 셀 안의 손상이 모두 그 숫자에 담기지는 않습니다.

놓아두어도 늙고, 쓸수록 늙습니다

서랍에 넣어 둔 예비 배터리도 늙습니다. 캘린더 노화는 쓰지 않고 놓아두기만 해도 시간이 흐르며 진행되는 노화이고, 사이클 노화는 충전과 방전을 되풀이하면서 진행되는 노화입니다. 두 노화의 속도를 말하려면 이름이 하나 더 필요합니다. 충전 상태는 셀에 지금 남은 양을 가득 찼을 때의 양에 견준 비율로, 퍼센트로 적습니다. 두 노화는 따로 셈하는 모형으로 다루기도 합니다 (DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121531, 인산철 셀 모형). 노화의 속도를 바꾸는 요인으로는 온도, 충전 상태, 충전·방전의 빠르기, 쓴 횟수가 꼽히고 (DOI: 10.1016/j.est.2022.105634), 한 번에 오가는 깊이도 그 가운데 하나입니다 (DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121531).

더위는 노화를 앞당기고, 추위는 충전과 방전의 효율을 떨어뜨립니다 (DOI: 10.1039/d5ra00934k). 더우면 양극의 금속이 녹아 나오고 새 막이 생기는 반응이 빨라져, 용량이 줄고 내부 저항이 커집니다 (DOI: 10.1002/smll.202407740). 인산철 양극과 흑연 음극 셀을 여러 온도에서 빨리 늙힌 실험실 연구에서는, 막이 자라고 터지고 다시 메워지는 과정이 노화의 주된 원인이었고 그 몫은 온도가 높을수록 컸습니다 (DOI: 10.1002/aenm.202404997). 추위가 노화로 이어지는 길은 충전 쪽에 있습니다. 추울 때 충전하면 리튬 이온이 음극 안으로 들어가기 어려워져 리튬 석출이 더 일찍 나타납니다 (DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c03927, 모형). 더우면 막이 빨리 자라고, 추울 때 빨리 채우면 리튬이 표면에 굳기 쉽습니다.

놓아둘 때의 노화는 보관 온도와 충전 상태에 따라 달라지고, 셀마다 여러 보관 조건에서 재어 그 관계를 모형으로 만듭니다 (DOI: 10.1109/tii.2019.2941747; DOI: 10.3390/en14061732, 인산철 셀 27~43개월 보관). 두 연구의 초록에는 충전 상태가 높은 쪽과 낮은 쪽 가운데 어느 쪽이 빨리 늙는지가 적혀 있지 않습니다.

충전과 방전을 되풀이하는 사이클 실험에서는 충전을 멈추는 전압도 노화에 닿습니다. 니켈·코발트·망간 양극과 흑연 음극으로 만든 실험실 셀을 계속 돌리자, 양극의 금속이 녹아 나와 음극 막에 섞이는 일이 충전 상한 전압 4.30볼트를 넘으며 눈에 띄게 빨라졌고, 용량 감소가 그와 함께 움직였습니다 (DOI: 10.1149/2.1111702jes). 니켈이 아주 많은 양극으로 만든 실험실 셀은 4.5볼트까지 채우면 4.3볼트까지 채울 때보다 처음 꺼낸 양이 조금 더 많았습니다. 100번 돌린 뒤에도 처음 양의 87%(4.3볼트)와 81%(4.5볼트)를 여전히 지니고 있었고, 두 퍼센트는 서로 다른 처음 양에 견준 값입니다 (DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b03268).

방전 심도(depth of discharge)는 한 번 쓸 때 가득 찬 양 가운데 몇 퍼센트를 꺼내 썼는지를 나타낸 값입니다. 충전 상태 0~50% 사이를 오가면 방전 심도는 50%입니다. 니켈·망간·코발트 양극과 천연 흑연 음극으로 만든 실험실 셀을 일곱 가지 충전 상태 구간, 곧 아래에서 시작하는 넷(0~25%·0~50%·0~75%·0~100%)과 위에서 끝나는 셋(75~100%·50~100%·25~100%)과 세 가지 빠르기, 두 온도로 2.5년 동안 돌리자, 구간마다 리튬 손실과 저항 증가, 전극 물질 손실의 정도가 달랐습니다 (DOI: 10.1149/1945-7111/ac4b82). 이 시험의 초록은 어느 구간이 더 빨리 늙었는지를 적지 않습니다. 깊이의 방향이 나온 것은 상용 셀을 실제 자동차 운행과 비슷하게 짠 13가지 패턴으로 돌리고, 셀 속 값을 물리 모형으로 거꾸로 맞춰 읽은 실험실 연구 하나입니다. 이 해석에서는 한 번에 깊이 쓰는 것이 양극 입자의 균열과 양극 물질 손실을 부추기는 것으로 보였고, 셀을 해체해 본 결과가 그 해석을 받쳤습니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2025.100410, 모형 해석).

이 숫자들은 모두 특정 전극 물질로 만든 셀을 실험실에서 정해 둔 조건으로 돌려 얻었습니다. 휴대폰이나 전기차의 충전 설정에 그대로 옮길 수 없습니다.

빨리 채우면 무엇이 달라지나

급속 충전은 큰 전류로 짧은 시간에 채우는 충전입니다. 가득 찬 배터리를 한 시간에 다 비울 만큼의 전류를 1배로 잡으면(숫자 읽기를 다룬 편이 C-레이트라 부르는 눈금), 인산철 양극과 흑연 음극으로 만든 한 실험실 셀에서는 그 시험 조건에서 1배와 2배로 채울 때 리튬 석출이 없었습니다. 3배에서는 금속 리튬이 생겨 자라기 시작했고, 4~6배에서는 가시처럼 뻗어 자랐습니다. 늙은 셀 속의 석출 리튬과 막의 유기 성분은 충전이 빠를수록 지수적으로 늘었고, 막의 무기 성분은 천천히 늘었습니다 (DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02898). 이 문턱은 그 셀, 그 조건의 값입니다. 추울수록 석출이 일찍 나타난다는 모형도 있습니다 (DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c03927, 모형). 에너지를 많이 담도록 전극을 두껍게 만든 셀에서는 전해질이 음극 안쪽까지 리튬 이온을 제때 대 주지 못하는 것과, 음극이 분리막과 맞닿은 면의 석출이 빠른 충전을 가로막는 두 지점입니다 (DOI: 10.1149/2.0451908jes, 모형).

빨리 채우는 방식에 따라서도 결과가 달라집니다. 니켈·코발트·망간 양극과 흑연 음극으로 만든 상용 셀로 한 실험실 시험에서, 연구진은 충전 상태를 다섯 구간으로 나눠 구간마다 전류를 달리하는 방식을 여럿 설계했습니다. 그 가운데 하나는 그 연구가 견준 표준 충전 방식보다 충전 시간이 20% 짧으면서도, 가득 채웠다 비운 횟수로 셈한 수명이 200번 길었습니다. 이 방식으로 늙은 셀은 흑연 손상과 음극 막의 성장이 덜했습니다 (DOI: 10.1016/j.jechem.2023.01.016, 실험실 시험). 이 연구의 저자들도 큰 전류가 노화를 앞당기는 것은 피할 수 없다는 데서 출발합니다. 빨리 채우면 리튬이 표면에 굳을 위험이 커지지만, 그 크기는 온도와 셀의 설계, 전류를 주는 방식에 따라 달라집니다. 빠른 충전 시험에서 수명이 준 몫이 어디까지 빠르기 탓이고 어디부터 시험 중 오른 온도 탓인지는, 배터리 숫자 읽기를 다룬 편이 다룹니다.

곡선이 꺾이는 자리와 「수명 끝」

노화 곡선은 어느 자리에서 꺾이기도 합니다. 용량이 처음 10% 줄 때까지는 직선처럼 고르게 줄다가 그 뒤 가팔라진 셀이 있습니다 (DOI: 10.1016/j.cej.2024.155588, 니켈·망간·코발트 양극·흑연 셀을 급속 충전으로 늙힌 실험실 시험). 직선 구간을 이끈 것은 음극 막의 성장이었고, 꺾인 뒤로는 오랜 기계적 응력으로 생긴 전극의 결함이 주도했습니다 (DOI: 10.1016/j.cej.2024.155588).

같은 꺾임이 다른 원인으로 설명된 셀도 있습니다. 인산철 양극과 흑연 음극 셀의 가속 노화에서 나타난 급락은, 전해질에 넣은 첨가제가 바닥나 분해가 용매와 리튬염 쪽으로 옮겨 간 데서 왔습니다. 내부 저항 증가나 리튬 석출, 전해질 마름, 기계적 변형은 주된 원인이 아니었습니다 (DOI: 10.1002/aenm.202404997). 곡선이 꺾이는 자리는 있지만, 왜 꺾이는지는 셀 종류와 조건마다 다르게 보고됩니다.

「수명 끝」은 이 곡선 위에 사람이 그은 선입니다. 흔히 처음 용량의 80%를 그 선으로 쓰는데, 이것은 관행으로 쓰이는 정의입니다. 같은 셀이라도 어떻게 쓰느냐에 따라 그 선에 이르는 길이 달라지고, 한 모형 안에서만 그런 길이 적어도 다섯 갈래 나왔습니다. 다만 이런 모형의 값을 실제 셀에 맞추는 일은 아직 큰 과제로 남아 있다고 저자들은 적습니다 (DOI: 10.1039/d2cp00417h).

건강 상태는 추정한 값입니다

기기 설정 화면에는 배터리가 새것 때에 견줘 얼마나 남았는지 알려 주는 숫자가 뜹니다. 그 숫자에는 이름이 있습니다.

건강 상태(state of health)는 지금 셀이 새것 때에 견줘 얼마나 성능을 지니고 있는지를 나타낸 값으로, 전압·전류·온도처럼 잴 수 있는 값으로 미루어 추정합니다. 추정하는 길은 크게 셋입니다. 셀 안의 화학을 식으로 옮긴 모형, 셀을 저항과 전기 부품의 회로로 흉내 낸 모형, 쌓인 자료에서 관계를 배우는 방법입니다 (DOI: 10.3390/wevj14090247). 정확한 건강 상태 추정은 배터리를 관리하는 일의 바탕입니다 (DOI: 10.3390/en18061463).

배터리 관리 시스템(battery management system)은 셀의 전압과 전류, 온도를 지켜보며 충전 상태와 건강 상태를 추정하고, 셀을 보호하고 셀들 사이를 고르게 맞추는 장치입니다. 전압·전류 감시와 충전·방전 추정, 보호, 셀 사이의 균등화, 열 관리가 이 장치의 몫으로 꼽힙니다 (DOI: 10.3390/batteries9030152). 전기 택시 운행 자료로 셀 사이의 어긋남을 평가한 연구의 저자들은, 관리되지 않은 셀 사이의 불균형이 노화를 앞당길 수 있다고 적습니다 (DOI: 10.1109/tte.2020.3018143). 넣은 전기량에 견줘 돌아 나온 전기량을 아주 정밀하게 재면 작은 석출도 드러나고, 이 측정은 온도에 따라 가장 빠른 충전 속도를 달리해 석출을 피하는 관리에 쓰일 수 있습니다 (DOI: 10.1149/2.0621506jes). 쉬는 동안의 전압 변화만으로 석출이 시작되는 순간을 잡아내는 방법도 상온 실험실 시험에서 나왔고, 저자들은 이를 상용화 가능성이 있는 방법으로 봅니다 (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00831).

실제 차에서 건강 상태를 정밀하게 재는 일은 「여전히 어렵고, 어쩌면 불가능하다」는 말까지 나옵니다. 그 문제에서 출발한 한 연구는 셀 시험과 팩 계산을 엮는 방법을 실험실 모듈·팩과 운행 중인 전기 택시 한 대의 자료로 확인했고, 두 경우 모두 팩 단위 건강 상태를 정확하게 추정했다고 보고합니다. 팩 안의 셀들은 대체로 비슷한 길로 늙었습니다 (DOI: 10.1109/jestpe.2021.3112754).

따로, 충전 방식을 다듬는 연구의 상당수는 가득 채웠다 비우는 고정된 사이클을 바탕으로 하는데, 실제 쓰임은 들쭉날쭉하고 중간에서 멈추는 일이 많습니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2026.100561). 출퇴근 패턴을 본뜬 고정 시나리오와 건강 상태에 따라 바뀌는 시나리오로 셀을 늙힌 실험실 시험에서, 저자들은 건강 상태에 맞춰 충전 방식을 바꾸는 쪽이 수명을 늘리면서 전체 충전 시간을 줄였다고 적습니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2026.100561, 실험실 시험·모형). 기기가 보여 주는 건강 상태는 배터리 관리 시스템이 잴 수 있는 값으로 미루어 낸 추정치입니다.

2년 쓴 휴대폰을 다시 보면

처음의 휴대폰으로 돌아가 이 글에서 본 것을 늘어놓으면 이렇습니다. 2년 동안 날마다 되풀이한 충전과 방전은 사이클 노화를 쌓았고, 쓰든 쉬든 흐른 2년이라는 시간은 캘린더 노화를 쌓았습니다. 밤새 충전기에 꽂혀 있던 시간은 대부분 가득 찬 채 놓여 있던 시간이고, 그 시간에도 캘린더 노화는 흘렀습니다. 가득 찬 채 놓인 시간이 노화를 얼마나 바꾸는지는 이 글이 본 보관 연구의 초록에 적혀 있지 않습니다.

그동안 음극 표면의 막은 조금씩 자라며 오갈 리튬을 붙잡았을 수 있습니다. 빠르게 채운 날, 특히 추운 날에는 셀의 설계와 충전 방식에 따라 리튬 일부가 표면에 굳었을 수도 있고, 양극 입자에는 금이 갔을 수 있습니다.

어느 길이 얼마나 컸는지는 그 휴대폰에 든 셀의 종류와 쓰인 방식에 따라 다릅니다. 바깥에서 대표로 보이는 숫자는 줄어든 용량과 커진 내부 저항 둘이라, 그 숫자만으로는 원인을 가려낼 수 없습니다. 기기에 뜨는 건강 상태 숫자도 배터리 관리 시스템이 낸 추정치입니다.

늙음과는 따로, 추운 날에는 같은 셀이라도 그때 내부 저항이 더 커집니다 (DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c03927, 모형). 이것은 그날 온도에 따른 일시적인 효과라 노화와 구별됩니다. 하루가 짧아진 휴대폰 속에서는 구슬이 줄고 선반이 금 가는 일이 함께 진행됐을 수 있고, 두 길은 서로 엮여 있습니다 (DOI: 10.1039/d1cp00359c).

어디를 더 볼까

전류·전압·저항을 처음부터 보려면 「전압·전류·전력 — 한 바퀴를 돌아도 줄지 않는 것」으로 가면 됩니다. 꺼낼 수 있는 양을 에너지로 재는 법은 「와트와 와트시 — 속도계와 주행거리계로 읽는 전기의 두 숫자」가 다룹니다.

이 시리즈의 다른 편 가운데 셀 구조를 다룬 「배터리 셀 — 두 전극 사이를 오가는 흔들의자」는 이 글의 구슬과 선반, 곧 리튬 이온이 오가는 두 길과 전극 물질을 자세히 그립니다. 배터리 숫자 읽기를 다룬 「암페어시와 와트시 — 얼마나 담고, 얼마나 빨리 꺼내는가」는 용량을 적는 단위와 충전 상태가 추정치라는 점, 꺼내는 빠르기에 따라 꺼낼 수 있는 양이 달라지는 일을 다룹니다. 열폭주를 다룬 「열폭주 — 제 열로 한 칸씩 오르는 계단」은 리튬 석출과 막이 안전과 어떻게 이어지는지를 따라갑니다.

근거 논문

• "Aging aware operation of lithium-ion battery energy storage systems: A review" (2022) — DOI: 10.1016/j.est.2022.105634 — 노화의 결과는 용량 감소·저항 증가·안전 영향, 충전 상태·충방전 빠르기·횟수·온도가 노화 요인.
• "Degradation of lithium-ion batteries under automotive-like conditions: P2D model-based understanding and ex-situ validation" (2025) — DOI: 10.1016/j.etran.2025.100410 — 용량 감소·내부 저항 증가, 자동차형 13가지 사이클을 P2D 모형으로 거꾸로 맞춘 해석(사후 분석으로 확인)에서 사이클 깊이가 양극 균열·양극 물질 손실을 부추기는 것으로 보임.
• "Numerical Research on Electrochemical Behavior, Thermal Characteristics, and Aging Formation of Lithium-Ion Cell at Different Ambient Temperatures and Charge/Discharge Rates" (2024) — DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c03927 — 모형. 충방전 빠르기 증가·외기 온도 하강 시 내부 저항·발열 증가, 저온·고속 충전에서 리튬 석출이 일찍 나타남.
• "Lithium ion battery degradation: what you need to know" (2021) — DOI: 10.1039/d1cp00359c — 주된 기전 5·부차 기전 13, 관찰 모드 5, 결과는 용량·출력 감소, 기전 사이의 되먹임.
• "3D Detection of Lithiation and Lithium Plating in Graphite Anodes during Fast Charging" (2021) — DOI: 10.1021/acsnano.1c02942 — 보통 빠르기에서는 흑연에 삽입, 빠른 충전에서 분리막 쪽 면에 이끼 모양 리튬, 그 아래 입자는 덜 충전됨.
• "Lithium-ion battery degradation: how to model it" (2022) — DOI: 10.1039/d2cp00417h — 리튬 재고 손실·활물질 손실, 같은 셀도 쓰임에 따라 수명 끝에 이르는 경로 다섯. 모형 파라미터화는 큰 과제로 남음.
• "A Formal Analysis of Internal Resistances of Li‐Ion Cells Using EIS and DRT to Simultaneously Probe Both Working Electrodes" (2026) — DOI: 10.1002/admt.202502455 — NMC811/흑연. SEI 저항은 초기 뒤 안정, 접촉·확산 저항은 꾸준히 증가, 높은 충전 상태에서 양극 저항이 주도.
• "The state of understanding of the lithium-ion-battery graphite solid electrolyte interphase (SEI) and its relationship to formation cycling" (2016) — DOI: 10.1016/j.carbon.2016.04.008 — SEI는 초기 작동에서 생기고 장기 성능에 필수, 포메이션 단계의 느린 충방전으로 키움.
• "Lithium Batteries and the Solid Electrolyte Interphase (SEI)—Progress and Outlook" (2023) — DOI: 10.1002/aenm.202203307 — 음극 표면에서 전해질이 분해되어 환원 생성물이 쌓인 것이 SEI.
• "Review—SEI: Past, Present and Future" (2017) — DOI: 10.1149/2.1441707jes — 전극에서 용액으로 전자가 넘어가면 빠른 자가방전·성능 저하, 이를 막는 것이 SEI 모델의 핵심.
• "A Comprehensive Capacity Fade Model and Analysis for Li-Ion Batteries" (2013) — DOI: 10.1149/2.040310jes — 모형. SEI 성장이 순환 가능한 리튬 손실을 부르고, 두꺼워질수록 성장이 느려짐.
• "Theory of SEI Formation in Rechargeable Batteries: Capacity Fade, Accelerated Aging and Lifetime Prediction" (2012) — DOI: 10.1149/2.044302jes — 모형. 상용 흑연 셀의 수천 사이클 용량 감소를 가역 삽입과 경쟁하는 SEI 성장으로 설명, 고온 가속 자료로 예측.
• "The Solid Electrolyte Interphase – The Most Important and the Least Understood Solid Electrolyte in Rechargeable Li Batteries" (2009) — DOI: 10.1524/zpch.2009.6086 — SEI의 특성과 조성을 이해·분석하기 어려움.
• "Quantification of Inactive Lithium and Solid–Electrolyte Interphase Species on Graphite Electrodes after Fast Charging" (2020) — DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00859 — 리튬 석출은 흑연 층 사이 대신 표면에 금속으로 환원, 낮은 가역성으로 곧바로 용량 손실, 모형으로 구한 스트리핑 효율 65%.
• "Quantitative Analysis of the Coupled Mechanisms of Lithium Plating, SEI Growth, and Electrolyte Decomposition in Fast Charging Battery" (2024) — DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02898 — LFP/흑연. 1·2C 석출 없음, 3C 핵 생성·성장, 4~6C 수지상 성장, 석출 리튬·유기 SEI는 충전 빠르기에 따라 지수적 증가(무기 SEI는 완만), 떨어져 나간 「죽은」 리튬.
• "In Operando Detection of the Onset and Mapping of Lithium Plating Regimes during Fast Charging of Lithium-Ion Batteries" (2020) — DOI: 10.1021/acsami.0c07803 — 코인셀. 심한 석출이 흑연 전극을 부풀리고 금 가게 해 활물질 손실로 이어질 수 있음.
• "In-Situ Detection of Lithium Plating Using High Precision Coulometry" (2015) — DOI: 10.1149/2.0621506jes — 석출은 수명을 크게 줄이고 안전에 영향, 정밀 쿨롱 효율 측정으로 검출, 온도별 최대 충전 속도 조절에 활용 가능.
• "Anisotropic Lattice Strain and Mechanical Degradation of High- and Low-Nickel NCM Cathode Materials for Li-Ion Batteries" (2017) — DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b12885 — 3.0~4.3V에서 단위격자 부피 변화 NCM811 약 5.1%·NCM111 약 1.2%, NCM811의 가속 노화는 입계 파괴에 따른 2차 입자 붕괴.
• "Transition Metal Dissolution, Ion Migration, Electrocatalytic Reduction and Capacity Loss in Lithium-Ion Full Cells" (2017) — DOI: 10.1149/2.1111702jes — NCM523 풀셀. 전이금속 용출·SEI 혼입이 상한 전압 4.30V 초과 시 가속, Mn 이온 하나당 리튬 약 10²개 추가 포획 추정, 용량 감소의 주된 원인은 여전히 음극 SEI의 리튬 손실.
• "How do Depth of Discharge, C-rate and Calendar Age Affect Capacity Retention, Impedance Growth, the Electrodes, and the Electrolyte in Li-Ion Cells?" (2022) — DOI: 10.1149/1945-7111/ac4b82 — NMC622/천연흑연 파우치. 충전 상태 구간 7·빠르기 3·온도 2로 2.5년, 구간마다 손실 정도가 다름, 양극 물질 손실은 음극 제한이라 용량엔 안 나타났으나 부풂·전해질 「언웨팅」과 결합해 결국 극적 고장을 부를 것.
• "Increasing the lifetime profitability of battery energy storage systems through aging aware operation" (2023) — DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121531 — LFP 셀의 캘린더·사이클 용량 손실을 따로 선형화한 모형.
• "A review of the combined effects of environmental and operational factors on lithium-ion battery performance: temperature, vibration, and charging/discharging cycles" (2025) — DOI: 10.1039/d5ra00934k — 고온은 노화를 앞당기고, 저온은 충방전 효율을 떨어뜨림(대비로 서술).
• "Electrochemo‐Mechanical Degradation and Failure of Active Particles in High Energy Density Batteries: A Review" (2025) — DOI: 10.1002/smll.202407740 — 고온이 전이금속 용출·새 SEI 형성을 가속해 용량 감소·내부 저항 증가.
• "Quantitative Analysis of Aging and Rollover Failure Mechanisms of Lithium‐Ion Batteries at Accelerated Aging Conditions" (2025) — DOI: 10.1002/aenm.202404997 — LFP/흑연. SEI의 성장·파열·복구가 주된 노화 원인이고 그 몫은 온도와 함께 증가, 급락은 첨가제 VC 고갈 때문(저항·석출·전해질 마름·변형 아님).
• "Gaussian Process Regression With Automatic Relevance Determination Kernel for Calendar Aging Prediction of Lithium-Ion Batteries" (2019) — DOI: 10.1109/tii.2019.2941747 — 캘린더 노화를 보관 온도·충전 상태와 용량의 관계로 예측, 보관 조건 9가지.
• "The Degradation Behavior of LiFePO4/C Batteries during Long-Term Calendar Aging" (2021) — DOI: 10.3390/en14061732 — LFP 27~43개월 캘린더 노화, 시간·온도·충전 상태의 영향을 모형화.
• "Impact of Microcrack Generation and Surface Degradation on a Nickel-Rich Layered Li[Ni 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 ]O 2 Cathode for Lithium-Ion Batteries" (2017) — DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b03268 — Ni90 양극, 4.5V 상한에서 처음 용량이 더 큼(238 대 227 mAh/g), 100사이클 후에도 4.3V 87%·4.5V 81%를 「여전히 유지」, 감소 원인은 비등방 부피 변화·미세균열·표면 암염상(4.5V에서 악화).
• "Investigation of multi-step fast charging protocol and aging mechanism for commercial NMC/graphite lithium-ion batteries" (2023) — DOI: 10.1016/j.jechem.2023.01.016 — NMC532/흑연 상용 셀. 충전 상태 5구간 다단계 충전 가운데 설계한 방식 하나가 표준 충전 대비 충전 시간 20% 단축·완전등가사이클 200회 연장, 흑연 손상·SEI 성장 감소. 큰 전류는 노화를 피할 수 없이 앞당긴다는 전제.
• "Requirements for Enabling Extreme Fast Charging of High Energy Density Li-Ion Cells while Avoiding Lithium Plating" (2019) — DOI: 10.1149/2.0451908jes — 모형. 고에너지 셀의 고속 충전 한계는 음극 내 염 고갈과 흑연/분리막 경계의 석출.
• "Evolution of aging mechanisms and performance degradation of lithium-ion battery from moderate to severe capacity loss scenarios" (2024) — DOI: 10.1016/j.cej.2024.155588 — NMC/흑연, 급속 충전 프로토콜. 10% 감소부터 선형→비선형 전환, 선형 구간은 SEI 성장, 비선형은 기계적 응력에 의한 전극 결함.
• "A Systematic Literature Review of State of Health and State of Charge Estimation Methods for Batteries Used in Electric Vehicle Applications" (2023) — DOI: 10.3390/wevj14090247 — 상태 추정은 전기화학 모형·등가회로 모형·데이터 기반 세 갈래.
• "Deep Learning for State of Health Estimation of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles: A Systematic Review" (2025) — DOI: 10.3390/en18061463 — 정확한 SOH 추정은 BMS의 기초.
• "Lithium-Ion Battery Management System for Electric Vehicles: Constraints, Challenges, and Recommendations" (2023) — DOI: 10.3390/batteries9030152 — BMS는 전압·전류 감시, 충방전 추정, 보호, 균등화, 열관리를 맡음.
• "A Novel Consistency Evaluation Method for Series-Connected Battery Systems Based on Real-World Operation Data" (2020) — DOI: 10.1109/tte.2020.3018143 — 전기 택시 운행 자료. 관리되지 않은 셀 불균형이 노화를 앞당기거나 사고를 부를 수 있다는 전제에서 평가법 제시.
• "Detecting the Onset of Lithium Plating and Monitoring Fast Charging Performance with Voltage Relaxation" (2020) — DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00831 — 상온 고속 충전에서 휴지 전압 분석으로 석출 시작을 검출, 저자들은 상용 온라인 검출 가능성을 봄.
• "Battery State-of-Health Estimation Based on Incremental Capacity Analysis Method: Synthesizing From Cell-Level Test to Real-World Application" (2021) — DOI: 10.1109/jestpe.2021.3112754 — 실차 정밀 SOH 계측은 「여전히 어렵고, 어쩌면 불가능하다」, 이 문제에서 출발해 실험실 팩과 실차 전기 택시 모두에서 팩 단위 SOH를 정확히 추정(RMSE 0.0204 등), 팩 안 셀은 비슷한 열화 경로.
• "Degradation analysis and tanks-in-series modeling of lithium-ion batteries with state of health-adaptive charging strategies" (2026) — DOI: 10.1016/j.etran.2026.100561 — 실제 사용은 무작위·부분 충방전으로 고정 사이클과 다름, 출퇴근 패턴 시험에서 SOH에 맞춘 충전 전환이 수명 연장·충전 시간 단축.