㈜배트로닉스는 2020년 12월 31일 고압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정용 휴대용 임피던스 분광기를 특허 출원했다.

해당 기술을 통해 제작한 제품은 외산 장비와 비교하여 동일한 기능과 성능을 통해 더욱 저렴한 가격에 제공하는 것으로 알려졌다. 전기차 폐 배터리 재사용 시 배터리의 잔존성능 및 가치의 평가에 유용하게 사용될 수 있으며, 신규 배터리의 생산 시 불량검출에도 가능하다.

㈜배트로닉스의 최우진 대표를 만나 휴대용 임피던스 분광기에 관해 보다 자세한 이야기를 들어보았다.

Q. 본 기술(제품)을 개발하게 된 동기와 배경이 어떻게 되는지?

A. 향후 미래 자동차 시장의 트랜드는 전기자동차라고 할 수 있다. 생산량이 증가하면서 발생되는 누적 폐배터리가 계속 증가하고 있다. 하지만 이를 폐기할 시 발생하는 환경오염의 문제로 인해 세계적으로 생산자책임재활용제도(EPR)를 도입하는 추세이다.

폐배터리의 그레이딩은 용량과 내부 임피던스 등을 이용하여 분류할 수 있으며, 배터리의 내부 저항을 측정할 수 있는 방법 중 전기화학적 임피던스 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 이용하면 비파괴적인 방식으로 짧은 시간 내에 배터리의 내부 화학작용의 활성도에 관한 정보를 얻을 수 있다.

하지만 현재 상용화 되어 있는 EIS 장비들은 다양한 응용에서 사용될 수 있도록 넓은 주파수 범위에서 동작하게 만들어져 가격이 매우 비싸며, 주로 셀 단위의 측정만 가능하기 때문에 배터리 모듈 또는 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 장비가 필요함에 따라 개발하게 되었다.

Q. 경제적 가치는 어느 정도라고 생각하는지?

A. 조사 결과27kWh급 배터리를 장착한 르노 삼성차 SM3의 폐배터리 가치는 2700달러(310만원) 정도로 사업성이 충분할 것으로 예상하며 가정용 ESS 등 다방면의 활용이 가능하다. 폐배터리 시장은 2021년부터 연평균 80% 성장하여, 2025년에는 257억원 정도의 시장이 형성될 것으로 전망된다.

실제 경쟁 제품군은 하단 우측의 두 제품으로 모두 독일산이다. 외산은 기본적으로 기술적 우위에 있지만 개발 제품은 외산과 측정 성능에 있어서 차이가 없으나 가격이 20% 저렴하다. 외산 제품은 기술 지원이 어렵다는 점에서 더욱 국내 시장에서 좋은 가치를 받을 것이라 생각한다.

Q. 본 기술(제품)의 특장점은 무엇인지?

A. 배터리 모듈 및 팩과 같은 고전압 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼 측정이 가능하다. 콤팩트 한 디자인 및 기존 장비에 비하여 저렴한 가격에 제공하고 USB 전원 이용, 컴팩트하고 깔끔한 한 디자인, 휴대 및 사용이 용이하며 또한 다양한 전기화학분야배터리에 적용 가능하다.

Q. 본 기술(제품)의 원리와 전체적인 메커니즘을 설명 한다면

A. 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하는데 이는 비파괴적인 측정 방식으로 작은 섭동 전압 혹은 전류를 전기화학기기기에 인가하여 측정 대상의 임피던스 스펙트럼을 측정함으로써 대상의 내부 상태를 짧은 시간에 정확하게 파악 할 수 있는 기술이다. 배터리와 같은 전기화학적 에너지 기기의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위하여 측정 대상에 인가된 섭동 신호에 의한 응답 신호를 A/D 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환시킨 후 임피던스 계산 소프트웨어에 입력한다.

디지털 신호로 변환된 측정 신호는 크기가 매우 작아 노이즈의 영향을 많이 받으며, 주파수별 임피던스를 측정하기 위해서 노이즈 제거 성능이 뛰어난 디지털 록인 앰프를 이용하여 측정 주파수 신호만을 추출하는데 노이즈가 제거된 전류 및 전압 신호를 이용하여 주파수별 임피던스를 계산하여 나이퀴스트 플롯으로 나타내게 된다.

이와 같이 측정된 나이퀴스트 플롯과 배터리의 등가회로를 이용하여 커브피팅을 수행하면 모델의 파라미터를 추출 할 수 있으며, 추출된 값을 조견표와 비교함으로써 배터리의 상태를 추정할 수 있다. 배터리의 전기적 등가회로를 이용하여 추출해낸 배터리의 임피던스 파라미터를 통해 배터리의 내부 상태를 추정할 수 있으며, 임피던스 파라미터의 변화를 감지함으로써 어떠한 열화가 일어났는지를 파악할 수 있다.