왜 비슷한 주행 거리임에도 내 테슬라 배터리의 열화가 더 빠를가?

흔히 차를 자주 운행하지 않으면 배터리가 열화되지 않는다고 생각합니다. 하지만 실제로 리튬이온 배터리는 차량이 정지된 상태에서도 꾸준히 성능이 저하됩니다. 이런 현상을 캘린더 에이징(Calendar Aging), 즉 '시간 경과에 따른 배터리 노화'라고 부릅니다. 캘린더 에이징은 배터리 충·방전과 무관하게 차량이 사용되지 않고 보관 중일 때에도 점진적으로 진행되는 배터리 열화 과정을 총칭합니다. 캘린더 에이징에 가장 큰 영향을 주는 요소 중 하나는 바로 배터리 충전 상태(SOC, State of Charge)입니다. 특히 배터리를 완전히 충전한 상태(높은 SOC)로 오랫동안 주차하면, 설령 차량을 전혀 사용하지 않더라도 배터리 용량 손실이 가속화됩니다. 이것이 바로 아래 그림과 같이 비슷한 주행 거리임에도 열화가 다른 이유중에 하나 입니다.(그림에는 교환된 배터리가 포함되어서 예외적으로 높은 SOH가 포함되어 있습니다.)

배터리를 높은 SOC 상태로 장기간 주차하는 것이 배터리에 어떤 영향을 주는지 명확히 이해하기 위해, 다음 표와 같이 Journal of Power Sources, Journal of The Electrochemical Society, ChemElectroChem 등 학술지에 발표된 여러 논문의 실험 결과를 정리했습니다. 이 연구들은 공통적으로 보관 중 배터리를 높은 SOC에서 유지할 경우 용량 저하가 빨라진다는 사실을 일관되게 보여줍니다. 특히 높은 온도 환경에서 이 효과는 더욱 두드러집니다.

·         90–100% SOC 상태에서는 리튬 도금, SEI층 성장, 전해액 산화 등 배터리 성능을 떨어뜨리는 부반응이 빠르게 진행됩니다.

·         20–50% SOC 상태에서는 배터리 내부 환경이 상대적으로 안정적이어서 열화 속도가 현저히 낮습니다.

·         연구들은 SOC에 따른 열화가 비선형적이라는 것을 확인했습니다. 특히 NCA 배터리의 경우 SOC가 약 90%를 넘어가면 급격히 열화가 가속됩니다.

연구	배터리 타입	테스트 SOC 범위	보관 온도	주요 결과
Keil et al. (2016) [1]	NCA, NMC, LFP	0–100% (약 10% 단위)	25–50 °C	NCA는 SOC 90% 이상에서 열화가 급증했고, NMC는 SOC 100%에서 특히 빠른 열화 진행
Hahn et al. (2018) [2]	NMC/Graphite	0–100%	40–55 °C	SOC 100% 상태가 SOC 30–50% 대비 훨씬 빠르게 용량 저하 진행
Liu et al. (2020) [3]	NCA	20%, 50%, 90%	10, 25, 45 °C	SOC가 높고 온도가 높을수록 열화가 가속. 90% SOC 배터리가 20% 및 50% 대비 훨씬 빠른 열화
Frie et al. (2024) [4]	NCA (Ni-rich 18650)	약 20% vs. 약 80%	50 °C	10개월 후 80% SOC 배터리는 11% 용량 손실, 20% SOC 배터리는 7% 손실로 약 50% 더 많은 열화
Geisbauer et al. (2021) [5]	NCA, NMC, LFP 등	2%, 38%, 100%	18.5–60 °C	100% SOC 및 60 °C 환경의 NCA 배터리는 단 120일 만에 최대 30% 열화

이러한 문제를 해결하기 위해 Dr.EV는 실제 사용자 주행 습관을 기반으로 일상적 주행과 장거리 운행을 구분하여, 최적의 SOC 제한값을 맞춤형으로 제안합니다. Dr.EV는 평소의 평균 주행거리, 장거리 주행 빈도, 주변 환경조건 등의 다양한 요소를 지속적으로 분석하여 사용자에게 가장 적합한 SOC 제한 범위를 지능적으로 결정합니다. 기존의 수동적이고 고정된 설정과 달리, Dr.EV의 SOC 추천 기능은 배터리의 최적 관리와 사용자의 편의성을 균형 있게 추천해 줍니다..

• 배터리 열화 감소:

  높은 SOC 상태를 장기간 유지하는 상황을 최소화하여 배터리 캘린더 에이징을 현저히 줄이고 테슬라 배터리 수명을 연장합니다.

• 사용자 불편 최소화:

  운전자의 편의와 차량 이용의 유연성을 유지하면서도, 배터리 보호를 극대화합니다.

각 논문 요약:

Keil et al. (2016)는 Journal of The Electrochemical Society에 발표된 연구로, NMC와 NCA 배터리 셀의 캘린더 에이징 특성을 분석했습니다. 셀들은 약 9–10개월 동안 25–50°C의 온도에서 0%부터 100%까지의 다양한 SOC 조건에서 저장되었습니다. 결과에 따르면 SOC에 따른 용량 손실은 비선형적으로 나타났으며, 중간 SOC에서는 안정적이었지만 높은 SOC(90% 이상)에서 급격히 증가했습니다. 특히 NMC 셀은 100% SOC에서 뚜렷한 열화가 나타났으며, NCA 셀은 약 90% 이상의 SOC부터 눈에 띄게 열화가 증가했습니다. 연구자들은 배터리 수명을 연장하려면 높은 SOC 상태로의 장기 보관을 피해야 한다고 결론지었습니다.

Hahn et al. (2018)은 Journal of Power Sources에 발표된 연구에서 NMC/Graphite 셀을 대상으로 다양한 SOC와 온도 조건에서 장기 저장 실험을 수행했습니다. 실험 결과, 높은 SOC일수록 용량 저하 속도가 빨랐으며, 온도가 높아질수록 열화가 더욱 가속화되었습니다. 특히 동일한 온도에서 100% SOC 배터리는 30–50% SOC 배터리보다 훨씬 빠르게 열화됐습니다.

Liu et al. (2020)은 테슬라에 주로 사용되는 NCA 배터리를 대상으로 435일 동안 저장 실험을 수행했습니다. 10°C, 25°C, 45°C에서 각각 20%, 50%, 90% SOC로 저장된 셀의 열화를 분석한 결과, 모든 온도에서 SOC가 높아질수록 배터리 열화 속도가 빨랐습니다. 특히 상온(약 25°C)에서 90% SOC로 저장된 셀이 50%나 20% SOC에 비해 뚜렷하게 높은 용량 손실을 나타냈습니다.

Frie et al. (2024)은 ChemElectroChem에서 Ni-rich NCA 배터리(흑연-실리콘 음극)를 대상으로 5년간의 장기 저장 실험 결과를 보고했습니다. 50°C 환경에서 약 10개월 동안 저장한 결과, 약 80% SOC에서 용량 손실이 11%였던 반면, 약 20% SOC의 용량 손실은 7%로, 높은 SOC 상태가 배터리 열화를 현저히 촉진한다는 것을 입증했습니다.

[1] P. Keil et al., “Calendar aging of lithium-ion batteries,” J. Electrochem. Soc., vol. 163, no. 9, pp. A1872–A1880, 2016.

[2] S. L. Hahn et al., “Quantitative validation of calendar aging models for lithium-ion batteries,” J. Power Sources, vol. 400, pp. 402–414, 2018.

[3] K. Liu et al., “An evaluation study of different modelling techniques for calendar ageing prediction of lithium-ion batteries,” Renew. Sust. Energy Rev., vol. 131, p. 110017, 2020.

[4] M. Frie et al., “Experimental calendar aging of 18650 Li-ion cells with Ni-rich NCA cathode and graphite-silicon anode over five years,” ChemElectroChem, 2024, Early View.

[5] C. Geisbauer et al., “Comparative study on the calendar aging behavior of six different lithium-ion cell chemistries in terms of parameter variation,” Energies, vol. 14, no. 11, p. 3358, 2021.