[배터리 기초 용어] 비용량, 쿨롱 효율, 용량 유지율

서론

오늘은 실리콘 음극재의 스펙을 나타내는 여러 요소 중 대표적인 세 가지에 대해 알아보고자 한다. 비용량, 쿨롱 효율 그리고 용량 유지율이다.

비용량 (Specific Capacity, 단위: mAh/g)

첫 번째는 바로 비용량이다. 단위 질량 당 갖는 용량을 뜻한다.

Specific은 화학공학 용어로 사용될 시 '단위 질량당'을 의미한다. 그렇기 때문에, 사용한 실리콘 음극재의 질량당 용량을 나타내는 수치라고 보면 된다. 단위를 쪼개보자. A는 Ampere(암페어)의 줄임말로 전류의 단위이다. A=C/s 즉, 단위 시간당 흐르는 전하의 양을 의미한다. h는 hour의 줄임말로 1시간을 의미한다. 그렇기 때문에, Ampere의 분모인 시간과 hour의 시간이 곱하면서 사라져 전하량인 Coulomb(쿨롱)만 남게 된다. 즉, 비용량의 단위는 Coulomb/g으로 단위 질량당 전하량을 의미한다. 전기차 배터리에 비유하면 '한 번 충전하면 얼마큼 갈 수 있는지?'를 나타내는 수치라 볼 수 있다. 

용량은 충전 용량과 방전 용량으로 나뉜다. 충전 용량은 주유소에서 기름 넣을 때처럼 꽉 채웠을 때 얼마만큼 찼는 지를 나타내는 수치이다. 이 채워진 용량(충전 용량)에서 일부를 제외한 용량만 사용이 가능한데 그 용량을 방전 용량이라 한다. 일반적으로 비용량 또는 용량이라 하면 우리가 사용 가능한 용량인 방전 용량을 의미한다.
 

쿨롱 효율 (Coulombic Efficiency;CE , 단위: %)

두 번째는 쿨롱 효율이다. 영어로는 coulombic efficiency라 하며 보통 줄여서 CE라고 한다. 특정 사이클에서의 방전 용량을 충전 용량으로 나눈 값이다. 

실리콘 음극재를 100만큼 충전했다 하더라도 방전할 때 그 충전된 100이 다 발현되지 않는다. 가역적인(reversible) 반응으로 충전한만큼 모두 방전이 된다면 좋겠지만 그것은 무한 동력 시스템처럼 이론 상 가능하나 현실에선 불가능하다. 저항이 있기 때문에 에너지가 일부 손실 되기 때문이다. 그래서 실리콘 음극재를 100만큼 충전하면 80만큼 방전될 수도 있고 90만큼 방전될 수도 있다. 이때의 쿨롱 효율은 80% 또는 90%가 된다. 그렇기 때문에, 쿨롱 효율을 높이는 것은 장기적인 실리콘 음극재의 수명과 연관된 중요한 요소 중 하나이다.

충전을 완료한 뒤 방전을 완료하면 1 사이클이 완료된다. 예를 들어, 여러 실리콘 음극재 충방전 테스트 시 20 사이클 후, 50 사이클 후, 100 사이클 후의 쿨롱 효율 비교를 통해 이 소재 간의 우열을 판가름할 수도 있다.

용량 유지율 (Capacity Retention (Rate);CR(R), 단위: %)

용량 유지율이란 특정 사이클이 지난 뒤에 본 사이클 방전 용량 대비 방전 용량의 비율을 의미한다. 영어로는 capacity retention rate(CRR) 또는 capacity retention(CR)이라 부른다. rate은 비율을 강조하기 위해 붙이기도 한다.

예를 들어, 아래와 같이 formation 과정을 거친 후 1C로 본 사이클이 시작된다고 해보자.
0.1C x 1 → 0.2C x 1 → 1C x 100 

이 때, 50번째 사이클에서의 용량 유지율은 본 사이클인 1C가 시작된 후 50 번째 사이클에서의 방전 용량을 1C가 처음 시작됐을 때의 방전 용량으로 나눠준 후 100%를 곱하면 된다. 다시 말해, formation 과정까지 포함해서 사이클을 계산한다면, 용량유지율(@50)은 53번째 방전 용량/3번째 방전용량 × 100%이다.

개념적으로는 휴대폰 배터리를 충분히 충전하고 충분히 방전하는 것을 100번 반복한다고 하였을 때, 배터리가 얼마나 처음과 동일하게 오래가는 지를 나타내는 수치라고 볼 수 있다. 용량 유지율도 이론상 100까지 가능할 수 있다. 하지만, 이것도 쿨롱 효율에서 언급했듯이 모든 저항이 없어 에너지 손실이 없을 때만 가능하다. 휴대폰 배터리를 오래 쓰면 금방 닳는 현상도 이것으로 설명 가능하다. 예를 들어, 배터리의 100 사이클 에서의 용량유지율이 60%라고 한다면, 핸드폰을 처음 샀을 때보다 용량이 60% 밖에 되지 않는다는 것이다. 그렇기 때문에, 실리콘 음극재를 연구할 때 높은 용량유지율 갖는지 확인하는 것이 매우 중요하다.

마무리

 

오늘은 실리콘 음극재의 전기화학 특성을 평가하는 데 있어 기본적으로 사용되는 용어인 비용량, 쿨롱 효율, 용량 유지율에 대해 알아보았다. 실리콘 음극재는 단순히 말하면 굵고 짧은 특성을 갖고 있다. 즉, 현재 널리 사용되는 음극재인 흑연에 비해 비용량이 높지만, 쿨롱 효율과 용량 유지율은 떨어진다. 그렇기 때문에, 비용량이 높다는 장점은 살리되 수명 특성이 좋아질 수 있도록 쿨롱 효율과 용량 유지율을 개선할 수 있는 연구가 진행되고 있는 중이다.