🤔 배터리 셀 내부저항이란? 배터리 성능과 효율성에 미치는 영향

배터리 기술이 발전함에 따라, 배터리 성능을 최적화하기 위한 요소 중 하나로 '내부저항(Internal Resistance)'이 중요하게 떠오르고 있습니다. 이번 글에서는 배터리 셀 내부저항이 무엇인지, 그리고 배터리 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대해 알아보겠습니다.

⚡ 내부저항(Internal Resistance)이란?

배터리 셀 내부저항은 배터리 내부에서 전류가 흐를 때 저항으로 인해 발생하는 전기적 손실을 말합니다. 배터리 셀 내에 존재하는 부품들의 설계 및 전기화학적 요소들이 저항 역할을 하며, 이러한 저항은 셀 성능에 큰 영향을 미칩니다. 간단히 말해, 내부저항은 전류가 배터리 내부를 통과할 때 겪는 "마찰"이라고 생각할 수 있습니다. 이 마찰은 배터리의 효율성을 떨어뜨리고 열을 발생시키는 원인이 됩니다.

예를 들어, 전기차용 배터리 셀을 생각해 봅시다. 내부저항이 높은 배터리는 같은 조건에서 더 많은 열을 발생시켜 성능 저하를 초래하고, 효율이 떨어질 수 있습니다. 이는 주행 거리가 줄어들고 배터리 수명이 단축되는 결과로 이어집니다.

셀에 대한 내부저항의 영향

 

 

🔍 내부저항이 성능에 미치는 영향

1. 에너지 손실 🛠️ 내부저항이 있는 배터리 셀은 전류가 흐를 때 열이 발생하며, 이는 곧 에너지 손실을 의미합니다. 이 손실은 배터리의 전체 에너지 효율을 떨어뜨리며, 불필요한 열 발생으로 인해 추가적인 냉각 시스템이 필요할 수 있습니다. 특히 고출력 배터리에서 이러한 에너지 손실은 성능에 큰 영향을 미칩니다.
2. 출력 전압 감소 📉 내부저항이 증가하면, 배터리가 출력할 수 있는 전압이 감소하게 됩니다. 이는 고전류가 요구되는 상황에서 문제가 되며, 전기차나 드론과 같은 응용 분야에서 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 내부저항이 높아지면, 배터리 사용 중 전압 강하가 커지면서 원하는 출력 전력을 충분히 제공하지 못하게 됩니다.
   
   예를 들어, 배터리 전압은 내부저항과 출력 전류에 의해 결정됩니다. 배터리 기전력이 E0=10 V일 때, 내부저항 RDC가 1 Ω이고 부하 R이 9 Ω인 경우 배터리 출력 전압은 9 V가 됩니다. 그러나 내부저항이 2 Ω으로 증가하면 출력 전압은 약 8.2 V로 감소합니다.
3. 배터리 수명 단축 ⏳ 내부저항이 높은 배터리는 충전 및 방전 시 더 많은 열을 발생시킵니다. 지속적인 열 발생은 배터리 화학 반응에 악영향을 미쳐 셀의 열화를 가속화하고, 결국 배터리 수명을 단축시키는 결과를 낳습니다. 이 때문에 내부저항이 낮은 배터리를 유지하는 것이 배터리의 장기적인 성능과 수명을 위해 중요합니다.

a) 내부저항 모식도, b) 배터리 온도 상승

💡 고품질 자동차 배터리 셀을 위한 내부저항 수준

고품질의 자동차 배터리 셀을 위해서는 내부저항이 가능한 낮아야 합니다. 일반적으로 자동차용 리튬 이온 배터리의 내부저항은 1~2 mΩ 정도로 유지되는 것이 이상적입니다. 이러한 낮은 내부저항 수준은 높은 전류 공급 능력을 보장하고, 에너지 손실을 최소화하여 배터리 성능을 최적화합니다. 내부저항이 낮을수록 배터리는 더 높은 출력 전압을 유지할 수 있으며, 열 발생이 줄어들어 냉각 시스템의 부담도 줄어듭니다. 이는 전기차의 주행 거리와 성능 향상으로 이어집니다.

배터리 용도 별, 내부저항-전압 상관 관계

💡 내부저항을 줄이는 방법

내부저항을 줄이기 위해 여러 가지 접근법이 있습니다. 배터리 셀의 설계와 제조 공정을 개선하여 내부 전기적 저항을 최소화하거나, 고품질의 소재를 사용해 저항 요소를 줄이는 것이 대표적입니다. 예를 들어, 양극 및 음극 재료의 최적화, 전해질의 개선, 집전체(collector)의 저항 감소 등이 내부저항을 줄이기 위한 주요 전략입니다.

 

🔄 결론

배터리 셀 내부저항은 셀의 성능과 효율성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 내부저항이 높으면 에너지 손실, 출력 감소, 배터리 수명 단축 등의 문제를 야기할 수 있으며, 이러한 문제들은 배터리의 효율적인 사용을 방해합니다. 따라서 내부저항을 최소화하는 것은 고성능 배터리 개발의 핵심 과제 중 하나입니다.

 

내부저항에 대한 이해는 배터리 기술의 발전과 최적화를 위해 필수적인 요소이며, 특히 전기차와 같은 응용 분야에서 더 나은 성능을 달성하기 위해 중요한 역할을 합니다. 앞으로 배터리 내부저항을 낮추기 위한 다양한 기술 개발이 기대됩니다! 🚀



▶ 참고 문헌
-. https://www.hioki.com/global/learning/electricity/internal-resistance.html

-. https://batteryuniversity.com/article/how-does-internal-resistance-affect-performance