PART 1 전지의 기초 - 전지 성능 평가

반도체, 디스플레이를 연구하는 실험실은 화려하지만, 전지 실험실은 그렇지 못하다. 평가 장비가 간단하여 초라한 느낌마저 든다. 전지 성능 평가에는 충·방전 시험기(cycle tester)만 있으면 되고, 저온, 고온 성능 평가는 충·방전 시험기 채널을 환경 챔버(environment chamber)에 넣어 진행한다. 충·방전 시험기는 동시에 평가할 수 있는 전지 개수로 규모를 표시하게 되는데, 충·방전 시험기 채널이 1,000개라면, 동시에 1,000개의 전지를 평가할 수 있다. 충·방전 시험 중 전지에 불이 나거나 폭발할 수 있으므로 자동 소화 설비를 갖추는 것이 안전하다. 때때로 추석, 설 연휴 후 출근하면 충·방전 시험실에서 불에 탄 전지를 발견할 수 있다.

성능 평가 항목은 다음과 같다.

1. 전압, 2. 용량, 3. 출력, 4. 온도 특성, 5. 수명, 6. 자가 방전율

1. 전압

전압은 우리가 조정할 수 있는 항목이 아니다. 양극과 음극이 정해지면 열역학적으로 전압이 결정된다. 음극의 산화 반응과 양극의 환원 반응을 합치면 전지 반응이 되는데, 리튬 이온 전지의 전지 반응은 다음과 같다.

LiC_6(음극) + Li_{1-x}CoO_2 (양극) ⇌ Li_{1-x}C_6(음극) + LiCoO_2(양극)

정반응은 방전이고, 역반응은 충전이다. 전지가 방전되면 음극의 리튬이 흑연에서 빠져나와 양극에 들어가 결합하고, 충전되면 양극의 리튬이 빠져 나와 흑연 음극으로 가서 결합한다. 전지 반응을 이용하면 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)¹를 구할 수 있다.

깁스 자유 에너지와 전압의 관계를 나타내는 식이 네른스트 식이다.

\Delta G = -nFE (네른스트 식)

n : 몰수, F: 패러데이 상수(96,485C/몰), E : 전압

네른스트 식을 이용해 깁스 자유 에너지로부터 전압을 구할 수 있다. 건전지와 알칼리 전지의 전압은 1.5V이고, 리튬 전지는 3V이다. 납축전지는 2V, 니카드전지와 니켈 수소 전지는 1.2V이다. 리튬 이온 전지는 충전 전압이 4.2~4.35V, 방전 종료 전압이 3V이다. 평균 전압은 3.6~3.75V가 된다.

리튬 이온 전지는 전극 소재에 따라 전압이 달라진다. LCO 양극을 사용하면 충전 전압 4.2V에 평균 전압 3.6V이지만, 양극에 NCA, NCM 등을 사용하면 평균 전압이 3.75V로 올라간다. LFP 전지는 평균 전압이 3.2V이고, 음극에 흑연 대신 LTO를 사용한 리튬 이온 전지는 전압이 2.3V이다.

시간에 따라 전압이 떨어지는 slope 방전 곡선과 전압이 일정한 flat 방전 곡선이다. 리튬 이온 전지, 납축전지, 건전지가 slope 방전 곡선을 그리며 방전하고, 니카드전지와 니켈 수소 전지는 전압이 일정한 flat 방전 곡선을 그리며 방전한다. 전압은 네른스트 식에 의하여 자유 에너지 또는 화학퍼텐셜(chemical potential, μ)²과 관련이 있다. slope 방전 곡선은 하나의 상(phase)에서 반응이 일어나는 단일상 반응의 결과이다. 전지가 방전하면서 화학퍼텐셜이 점진적으로 떨어진다. 이것이 전압으로 표출되면 slope 방전 곡선이 나온다. 전압이 일정한 방전 곡선을 나타내는 전지의 활물질은 반응물과 생성물의 계면이 명확하다. 이것을 2상 반응(two phase reaction)이라고 한다. 2개의 상이 평형을 이루므로 화학퍼텐셜이 일정하고, 이것이 일정한 전압으로 표출된 것이다.

화학퍼텐셜²: 깁스 자유 에너지를 몰(mole)로 미분한 형태이다.

전압은 시장의 판도를 바꿀 수 있다. 이러한 예가 휴대폰 시장에 있었다. 1990년대 휴대폰은 유럽을 중심으로 한 TDMA(Time Division MultipleAccess) 방식의 GSM(Global System for Mobile communication)과, 미국 Qualcomm사가 개발한 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식이 경쟁했다. 핀란드의 Nokia가 GSM 휴대폰을 주도했고, 미국의 Motorola가 CDMA 휴대폰의 선두 주자였다. 삼성전자와 LG전자도 CDMA 방식을 택했다. 불확실성이 많은 CDMA를 택한 것이 올바른 결정인지에 대하여 논쟁이 뜨거웠다. GSM은 고출력 펄스 방전을 요구하고 저가라는 것이 장점이며, 고출력 방전 성능이 우수한 니켈 수소 전지와 어울린다. 반면에 CDMA 휴대폰은 고가이고 용량이 많이 필요하며, 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지가 적합하다. 삼성전자와 LG전자가 CDMA를 선택한 데에는 삼성SDI와 LG화학의 전지 사업에 대한 배려도 한몫했다.

GSM과 CDMA 휴대폰의 작동 전압은 5V였다. 니켈 수소 전지는 껌전지라고 하는 껌 모양의 1.2V 각형 전지를 5개 직렬연결한 6V 배터리팩을 사용했고, 리튬 이온 전지는 3.6V 전압의 18650(지름 18mm, 높이 65mm) 원통형 전지를 2개 직렬연결한 7.2V 배터리팩을 사용했다. 전압 호환성 측면에서도 니켈 수소 전지가 유리했고, [그림 2-2]에서 보는 것처럼 전지의 부피도 팩 내부에 죽은 공간이 없는 니켈 수소 전지가 더 작았다. 당시에는 전압을 내리거나 올리는 승압, 감압 기술이 발달하지 않아서 전압을 조정하면 용량 손해가 컸다. 그래서 휴대폰에서 요구하는 전압에 얼마나 근접한지를 판단하는 전압 호환성이 중요했다. 휴대폰 시장에서 리튬 이온 전지는 경쟁 전지인 니켈 수소 전지에 밀려 경쟁력 확보가 어렵게 보였다.

휴대폰 1위 업체인 Nokia는 전지 1위 업체인 Sanyo와 파트너십을 구축했다. Nokia 상품 기획 회의 때 Sanyo가 참석해 차기 모델에 사용할 전지를 결정했다. Nokia가 휴대폰 시장을 주도할 수 있었던 비결 중 하나는 Sanyo의 전지 기술력이었다. 당시 휴대폰 시장은 작고 얇은 단말기가 경쟁력의 핵심이었으므로, 전지가 결정적인 역할을 했다.

Motorola는 리튬 이온 전지로 Nokia의 니켈 수소 전지와 경쟁하기를 원했다. Motorola는 3V에서 작동하는 휴대폰을 개발하기로 한다. 대부분의 부품이 3V에서 작동하므로 3V 휴대폰이 불가능한 것은 아니었지만, 5V의 파워 증폭기가 문제였다. 전자 기술이 뛰어난 Motorola는 3V 파워 증폭기 개발에 성공하였고, 이 개발로 3V 휴대폰이 탄생하게 된다. 휴대폰 작동 전압이 5V에서 3V로 내려가자 [그림 2-3]처럼 각형 리튬 이온 전지 1개로 배터리팩이 가능하게 됐다.

휴대폰에 사용되는 전지는 CDMA 휴대폰을 시작으로 니켈 수소 전지에서 리튬 이온 전지로 바뀌었다. 그리고 2000년대 초 Nokia가 GSM 휴대폰에 리튬 이온 전지를 채용한 이후, 니켈 수소 전지는 휴대폰 시장에서 완전히 사라진다. Nokia가 Panasonic과 삼성SDI의 리튬 이온 전지로 다변화하자, Nokia와 Sanyo의 파트너십도 끝나게 되었다.

2007년 1월 Apple은 스마트폰을 소개했다. 스마트폰은 Apple이 발명한 것이 아니다. 상당히 긴 개발 역사를 가지고 있으며, Apple은 단지 스마트폰을 대중화시켰을 뿐이다. 스마트폰의 등장으로 전압은 다시 5V로 높아졌다. 그러나 용량 손실 없이 전압을 올리고 내리는 기술이 발달함으로써, 리튬 이온 전지 1개를 사용한 배터리팩을 계속해서 스마트폰에 사용하고 있다.

노트북의 전압은 14V이다. 노트북에 사용하던 니켈 수소 전지의 단점은 고온 성능으로, 리튬 이온 전지의 안전성에 자신감이 생기자 니켈 수소 전지는 리튬 이온 전지로 교체된다. 3.6V 전압의 18650 원통형 전지 4개를 직렬연결하여 14.4V 전압을 만들었고, 용량을 늘리기 위하여 14.4V 전지 3개를 병렬연결했다. [그림 2-4]는 노트북 배터리팩의 내부 구조이다. 4S × 3P 연결이라고 한다. S는 serial(직렬)의 머리글자이고, P는 parallel(병렬)의 머리글자이다. 노트북에는 12개의 원통형 전지가 들어갔는데, 노트북의 요구 전압이 낮아지고 전지의 용량이 커지면서 계속 줄어들고 있다.

1990년대의 휴대폰은 작고 얇은 것이 대세였다. 1996년 1월 미국의 Motorola가 스타택(StarTAC)이라는 작은 휴대폰을 출시하자 시장은 열광했고([그림 2-5]), 와이셔츠 주머니에 들어갈 정도로 작은 휴대폰이 등장하면서 얇은 휴대폰이 시장을 주도하게 되었다. 그 결과 휴대폰은 일부 부유층이 벽돌 크기의 무거운 휴대폰을 사용하며 부를 과시했던 부의 상징에서, 직장인이 항상 와이셔츠 주머니에 넣고 다니는 필수품으로 변화하게 되었다.

마찬가지로 노트북도 슬림화로 가고 있었다. 성능이나 기능보다는 두께가 얇아야 잘 팔렸다. 노트북 두께를 줄일 때 가장 문제가 되는 것은 배터리팩이다. 지름 18mm의 18650 원통형 전지를 12개 직·병렬연결하기 때문에 두께가 두꺼웠다. 1997년 Panasonic은 각형 전지를 노트북에 적용한다. 당시 휴대폰에는 가로 30mm, 높이 48mm의 3048 푸트프린트(foot print)³의 각형 전지를 사용하고 있었다. Panasonic은 가로 34mm, 높이 50mm의 푸트프린트를 가진 10mm 두께의 각형 전지를 개발하여 노트북에 사용한다. 그 결과 전지 두께가 18mm에서 10mm로 줄어들면서 노트북이 얇아졌다. 전지산업계는 시장의 반응이 좋을 것으로 기대했지만, 성능 악화로 인해 고객 불만이 많았고 결국 Panasonic은 각형 전지 사용을 중단한다.

기존 원통형 전지의 경우 나란히 연결하면 전지끼리 선 모양으로 접촉하게 되는데, 이것을 선접촉이라고 한다. 반면 각형 전지는 나란히 연결하면 면접촉을 한다. 이렇게 접촉 면적이 커지자, 열발산이 잘 되지 않아 성능 열화를 초래하게 된 것이다. Panasonic은 [그림 2-6]처럼 각형 전지의 단면을 직사각형에서 타원으로 바꿔 열발산 문제를 개선했다. 슬림 노트북에서는 얇게 만들 수 있는 전지인 파우치 전지가 경쟁력이 있다.

전기자동차는 내연기관 대신 모터로 구동한다. 이때 모터는 영구 자석이 필요 없는 AC 모터를 사용한다. 배터리팩에서 나온 전기는 직류를 교류로 바꾸는 장치인 인버터를 거쳐 모터로 간다. 배터리팩은 300V와 360V 타입 중 주로 360V 타입을 사용한다. 각형 전지는 3.75V 전압의 전지를 96개 직렬연결하여 360V 팩을 만든다. 파우치 전지는 두껍게 만들 수 없으므로 각형 전지보다 용량이 작다. 그래서 파우치 전지 3개를 병렬연결하여 288개의 전지로 360V 팩을 만든다. 실제로 배터리팩을 만들 때에는 여분의 전지를 더 집어넣는다.

전지의 전압은 휴대폰, 노트북, 전기자동차 배터리팩 구조(architecture)에 중요한 역할을 한다. 리튬 이온 전지의 전압이 니카드전지와 니켈 수소 전지의 3배라는 것이 배터리팩 설계에 큰 장점으로 작용한다. Motorola가 3V 휴대폰을 개발하지 않았다면, 휴대폰을 비롯한 휴대 전자기기용 시장에서 리튬 이온 전지가 니켈 수소 전지에 밀려 없어졌을지도 모른다.

2. 용량

용량은 작동 시간을 결정하는 성능으로, 전압과 전하량으로 구성되어 있다.

용량(Wh) = 전압(V) × 전하량(Ah)

용량 비교를 위하여 부피당 용량인 에너지 밀도(Wh/L)와 무게당 용량인 비에너지(Wh/kg)를 사용한다. 에너지 밀도가 높으면 같은 부피에서 더 많은 에너지를 넣을 수 있어 작동 시간이 늘어나고, 동일 용량이라면 작게 만들 수 있다.

충·방전 속도는 C rate로 표시한다. 전지의 용량을 1시간에 모두 방전했을 때의 전류를 1C라고 한다. 1Ah 용량의 전지를 1C로 방전하면 1A(암페어)의 전류가 흐르는 것이다. 2C 방전은 2A, C/5 방전은 0.2A가 된다. C 앞에 있는 숫자가 클수록 고율 충·방전이다.

전지 소재의 이론 용량은 계산으로 구할 수 있다. 출발점은 전자 1몰의 전하량인 패러데이 상수이며, 이 값은 96,485C(쿨롱)이다.

F(패러데이 상수) = (전자 1개의 전하 1.6 × 10^{-19}C)·(6 × 10^{23} 전자/몰)

= 96,485C/몰

1A(암페어)는 1C/s이다. 쿨롱을 좀 더 편리한 단위인 암페어(Ah)로 고치면 패러데이 상수는 다음과 같다.

F = 26.801Ah/몰

원자량이 6.941인 Li(리튬)의 용량은 다음과 같다.

Li → Li^++ e

(26.8Ah/몰)·(1몰/6.941g) ≒ 3.86Ah/g

음극 활물질인 흑연의 용량을 구하려면 6개의 탄소 원자가 1개의 리튬 원자와 결합한다는 것을 알아야 한다.

Li + 6C → LiC_6

(Li 26.8Ah/몰)·(1몰/12.011g)·Li 1몰/C 6몰)·(1,000mAh/1Ah) ≒ 372mAh/g

흑연 음극 용량이 이론 용량인 372mAh/g 대비 어느 정도 수준에 와 있는지를 보고 기술의 완성도를 알 수 있다. 흑연의 용량 계산과 같은 방법으로 \mathrm{LCO(LiCoO_2)},\; \mathrm{NCA[Li(Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05})O_2]}, \; \mathrm{NCM[Li(Ni_{0.5}Co_{0.3}Mn_{0.2})O_2]}, \; \mathrm{LMO(LiMn_2O_4)},

\; \mathrm{LFP(LiFePO_4)}와 같은 양극 소재의 용량도 구할 수 있다.

전지는 용량 경쟁이 치열한 산업이다. 전지 용량을 올리는 것이 개발의 핵심이다. 동일 부피의 전지에서 용량을 10~20% 올리는 것을 버전업(version-up)이라고 한다. 용량에 기여하지 않는 물질인 분리막과 금속박의 부피를 줄이고, 에너지 물질인 활물질 양을 늘리는 방법으로 버전업을 한다. 1991년 Sony가 개발한 전지는 분리막 두께가 25μm였다. 버전업을 하면서 10μm까지 줄어들었다. 음극 집전체로 사용하는 동박의 두께도 15~20μm에서 6μm까지 줄었다. SKC(現 SK넥실리스)는 2020년 4μm 두께의 동박을 개발했다. 버전업으로 비활성 물질(inert materials)⁴인 분리막, 금속박의 두께를 줄이고 전극 밀도를 높일수록, 전지의 안전성은 나빠진다. 공정 마진이 줄어들어 불량이 속출하고, 전극 밀도가 높아져 혹사 조건에서의 폭발 위험성이 커진다.

비활성 물질⁴: 활물질(active materials)에 대응하는 말로, 용량에 기여하지 않는 물질이다. 분리막, 금속박 등이 이에 해당한다.

전지 발화 사고는 에너지 밀도와 관련있다. 18650 원통형 전지 기준으로, 용량이 2Ah에 도달하기 전까지는 발화 사고가 없었다. 그러다가 용량이 2Ah를 넘게 된 2002년부터 필드 사고가 줄을 이었다. 출하 후의 전지가 발화, 폭발하는 것을 필드 사고라고 하는데, 필드 사고는 [그림 2-7]에서처럼 2002년부터 2006년까지 5년간 계속 발생하면서 전지산업계를 침체기로 몰아넣었다.

필드 사고로 인한 경영 악화로 2009년 Sanyo는 Panasonic에 흡수통합됐고, LG화학은 2004년과 2005년 Apple 노트북의 전지 발화로 인한 리콜로, 2006년 전지 사업을 매각하려고 했다. Sony는 Dell 노트북의 전지 발화 사고로 리콜을 당한 후 적자에 시달리다가 2016년 일본의 Murata⁵에 전지 사업을 매각한다. 삼성SDI는 2003년 HP(Hewlett Packard) 노트북에서 6개월간 전지 발화 사고를 일으켰지만, HP에서 리콜 시기를 놓치는 바람에 주요 전지 회사 중에서 유일하게 리콜을 당하지 않았다. HP 회장의 경영 미숙으로 리콜을 피한 삼성SDI는 13년 후인 2016년, 삼성전자 스마트폰인 Galaxy Note 7에서 전지 발화 사고를 일으켜 리콜을 당한다. 전지 기술이 향상되고 경험도 풍부해졌지만, 필드 사고는 계속되고 있다. 2017년 7월부터 태양광과 풍력에 설치한 ESS에서 화재가 줄을 잇더니, 현대자동차의 전기자동차인 코나에서 전지 발화 사고가 발생하고 있다. 용량은 이처럼 양날의 검과 같은 속성을 가지고 있다.

Murata⁵: 무라타 제작소가 원래 이름이다. 1944년에 설립된 일본 굴지의 전자 부품 기업으로 Sony의 전지 사업을 인수할 당시 전고체 전지를 개발하고 있었다.

3. 출력과 온도 특성

1C에서 방전했을 때의 용량을 정격 용량(rated capacity)이라고 한다. 일반적으로 말하는 용량이 바로 정격 용량이다. 1990년대에는 C/5나 C/3의 방전 용량을 용량으로 정의했으나, 전지의 출력 성능이 좋아지면서 1C에서의 방전 용량으로 굳어지게 되었다.

전지를 고출력으로 방전하면 [그림 2-8]처럼 용량을 100% 방전하지 못하고 방전 종료 전압에 도달한다. 여기에는 여러 가지 원인이 있지만, 옴의 법칙(V = IR)에서 전류가 커지면서 전압이 급격히 떨어지는 현상으로 이해하면 된다. 좀 더 정확히 말하면 전지의 분극(polarization) 현상으로 자기 용량을 전부 방전하지 못하는 것이다. 전지의 출력 성능을 비교할 때, ‘5C에서 용량의 60% 방전’과 같이 표현한다. 같은 속도로 방전했을 때 더 많은 용량을 방출할 수 있는 전지가 출력 성능이 우수한 것이다. 출력 성능이 좋으려면, 이온의 이동 속도가 빠르고, 전자의 흐름을 방해하는 장애물이 없어야 한다. 니카드전지와 니켈 수소 전지에서는 수소 원자가 움직이고, 리튬 이온 전지에서는 리튬 원자가 이동한다. 수소 원자가 리튬 원자보다 작고 빠르기 때문에 니카드전지와 니켈 수소 전지의 출력 성능이 리튬 이온 전지보다 우수하다.

파우치 전지는 전극에서 양·음극 단자에 이르는 전자 통로에 장애물이 없지만, 원통형 전지는 안전장치로 장애물이 많다. 각형 전지는 원통형 전지보다는 장애물이 적지만, 파우치 전지보다는 많다. 이러한 구조적인 차이로 인해 파우치 전지가 원통형 전지와 각형 전지보다 출력 성능이 좋다.

리튬 이온 전지는 과전류에서 온도가 올라가면서 열폭주(thermal runaway)⁶가 일어날 수 있다. Sony는 이러한 열폭주에 대한 위험성으로 인해 고출력 방전이 되지 않도록 전지를 설계했다. 보통은 2C에서 보호회로가 전류를 차단하는데, 보호회로의 오작동 상황을 대비하여 2C보다 약간 높은 전류에서 전류 차단 부품인 PTC(Positive Temperature Coefficient)⁷가 작동하게 해 전류를 차단한다.

열폭주⁶: 온도가 급격히 올라가면서 발화되는 현상이다.

PTC⁷: 높은 전류가 흐르면 온도가 올라가 부도체가 되는 부품이다.

1990년대 리튬 이온 전지의 목표 시장은 휴대폰, 노트북, 캠코더와 같은 휴대용 전자기기였다. 이 시장은 구동 모터를 돌릴 필요가 없어서 고출력 방전 성능을 요구하지 않았다. 그래서 고출력 방전이 되지 않도록 설계한 리튬 이온 전지가 대응 가능한 시장이었다. 휴대폰에서 유럽형인 GSM은 고출력 펄스 파워가 필요하다. 리튬 이온 전지가 휴대용 전자기기 시장에서 주력 전지가 되어 니켈 수소 전지를 시장에서 몰아낸 후에도 GSM 휴대폰은 고출력 방전 성능이 우수한 니켈 수소 전지를 사용했다.

위험할 것으로 생각했던 리튬 이온 전지가 발화 사고 없이 승승장구하자 전지산업계는 리튬 이온 전지의 안전성에 자신감을 갖게 된다. 이러한 자신감으로 Sony, Sanyo, Panasonic은 1999년 고출력 리튬 이온 전지를 개발한다. 리튬 이온 전지가 GSM은 물론이고 20C의 고출력 방전을 요구하는 전동 공구에도 사용할 수 있게 된 것이다. 고출력의 리튬 이온 전지를 개발하기 위해 전지 설계에 많은 변화가 이루어졌다. 고전류로 방전하면 많은 양의 전자가 한꺼번에 이동해야 하므로 전자 통로가 넓어야 하는데, 이를 물에 비유하면 물을 운반하는 파이프의 지름이 커야 함을 의미한다. 전지에서 파이프에 해당하는 것은 전극과 양·음극 단자를 연결하는 전극 탭(tab)이므로 탭의 면적을 늘리기 위해 [그림 2-9]처럼 무지부⁸ 전체를 전극 탭으로 했다.

고용량 전지의 전극 두께는 150μm 정도이다. 고출력 전지에서는 이온과 전자의 이동 거리를 줄이기 위해 전극의 두께를 70μm로 줄였다. 고용량 전지의 양극은 활물질 96%, 도전재 2%, 바인더 2%로 되어 있다. 카본 블랙과 같은 도전재는 전기전도도를 향상시키는 역할을 한다. 고출력 전지에서는 도전재를 10%까지 올리게 되는데, 도전재가 늘어나면서 활물질 양이 줄어 용량이 작아진다. 18650 원통형 전지의 경우 고용량 전지의 용량은 3.2Ah이지만, 고출력 전지가 되면 용량이 1.5Ah 이하로 줄어든다. 고용량 전지에서 금속박은 용량에 기여하지 않는 비활성 물질이지만 고출력 전지에서는 전자 이동에 중요한 역할을 한다. 그래서 금속박 두께가 너무 얇으면 출력 성능이 나빠진다. 도전재는 카본 블랙과 같이 구형의 분말로 되어 있는 것보다 바늘 모양의 침상 구조가 더 효과적이다. 고출력 전지에서 도전재 양을 줄이기 위해 침상 구조의 VGCF⁹를 사용하기도 한다. LG에너지솔루션은 자체적으로 만든 카본나노튜브(CNT)¹⁰를 고출력 전지의 도전재로 사용하고 있다.

VGCF⁹: Vacuum Growth Carbon Fiber의 약자이다.

CNT¹⁰: Carbon Nano Tube의 약자이다.

고출력 전지는 2003년 전동 공구에 사용된다. 전동 공구는 20C의 고출력 방전을 요구할 뿐 아니라 진동이 심한 환경에서 사용되므로, 진동으로 인해 용접 부위가 떨어질 수 있다. 전동 공구용 리튬 이온 전지 개발 초기에는 용접부의 견고성을 평가하기 위해 드럼 시험¹¹을 했다. 리튬 이온 전지는 전동 공구 시장에 진출해 주력 전지인 니카드전지와 경쟁했고, 이 경험을 바탕으로 전기자동차 시장에 진출하게 되었다.

드럼 시험¹¹: 트럭에 전지를 여러 개 넣은 드럼통을 싣고 달린 후, 죽은 전지(dead call)가 없는지 점검하는 시험이다.

전지 성능은 온도에 민감하다. 온도가 올라가면 상온 용량 이상으로 방전될 수 있다. 반대로 온도가 내려가면 계면 저항이 증가하여 [그림 2-10]처럼 용량의 일부만 방전하고 방전 종료 전압에 도달한다. 옴의 법칙(V = IR)에서 저항이 커지면서 전압이 빨리 떨어지는 것으로 이해하면 된다.

전지가 온도 변화에 얼마나 잘 대응하는지를 보기 위한 성능이 온도 특성이다. 용도에 따라 작동 온도 구간이 다르다. 노트북은 추운 겨울에 야외에서 사용하는 경우가 드물다. 그래서 노트북의 작동 온도 구간은 0℃에서 60℃이다. 반면 휴대폰은 야외에서 많이 사용하므로 아무리 추운 곳이라도 전화를 할 수 있어야 한다. 그래서 휴대폰의 작동 온도 구간은 -20℃에서 60℃로 노트북보다 넓다. -20℃의 저온에서 용량의 60% 이상 방전할 수 있어야 합격이다. 노트북, 휴대폰과 같은 휴대용 전자기기는 보통 실내에서 충전한다. 이 때문에 충전 온도 구간은 0℃에서 40℃로 방전 온도 구간보다 좁다. 전지의 저온 특성은 전기자동차의 도입으로 더욱 중요해졌다. 전기자동차는 -30℃의 혹한에도 제대로 작동해야 하므로 그 작동 온도는 -30℃에서 60℃이다.

전지 회사에 근무하면 차세대 전지라고 하는 개발 단계의 전지를 평가할 기회가 종종 있다. 이때 경험 있는 전지 기술자는 무엇을 보아야 하는지를 안다. 새로운 전지의 경쟁력은 출력 성능과 저온 성능이 결정한다. 이 두 성능을 운동선수의 경우로 비유하면 타고난 체격 조건이라고 할 수 있다. 전지의 구성 성분에 의하여 출력 성능과 저온 성능은 정해진다. 이는 후속 연구 개발로도 개선이 되지 않는다. 그러나 국내 전지산업계는 용량에 집착하는 경향이 강하다. 차세대 전지를 평가할 때에도 용량부터 점검한다. 용량은 출력, 저온 특성과 달리 후속 연구 개발로 얼마든지 개선이 가능한 성능이다.

4. 수명과 HPPC 시험

인간의 수명은 오래 살아야 100살 정도다. 2차전지 역시 영원히 작동하는 것은 아니다. 충·방전을 거듭할수록 충격이 누적돼 용량이 감소한다. [그림 2-11]에 표시한 것처럼 BOL¹²에서 EOL¹³까지의 충·방전 횟수가 수명 성능이다.

BOL¹²: Beginning of Life의 약자이다.

EOL¹³: End of Life의 약자이다.

EOL은 초기 용량의 80% 수준까지 용량이 떨어졌을 때를 말한다. 1990년대 중반까지는 초기 용량의 60%를 EOL로 정의했다. 이후 전지 성능이 향상되면서 80%로 기준이 높아졌다. 초기 용량의 80%는 사용자가 작동 시간이 줄었다는 것을 느낄 수 있을 정도이다. 전지는 인체의 혈관에 해당하는 전해액을 모두 소진됐을 때 완전히 죽는다. 이것을 전해액 고갈이라고 한다. 수명은 DOD¹⁴에 따라 변하는데, 전지 용량의 100%를 충·방전하면 100% DOD가 되고, 80%만 사용하면 80% DOD, 50%를 사용하면 50% DOD가 된다. DOD가 클수록 활물질의 손상이 커져 수명이 줄어든다. 80% DOD에서는 100% DOD일 때 수명의 2배로 늘고, 50% DOD에서는 5배로 늘어난다. 그래서 수명 데이터를 볼 때에는 DOD의 수치를 확인해야 한다. 휴대용 전자기기에서는 100% DOD를 사용하고, 전기자동차에서는 80% DOD에서 수명 시험을 한다.

DOD와 같은 전지 관련 용어에 익숙하지 않으면 약육강식의 산업계에서 먹잇감 신세가 될 수 있다. 전지 산업의 역사가 짧은 우리나라에서도 그런 경험이 상당히 많다. 1990년대 미국에는 차세대 전지를 개발하는 신생 회사가 많았다. 당시는 차세대 전지 개발의 전성기였다. 1991년 Sony가 리튬 이온 전지를 상업화한 이후, 미국에서는 Sony와 경쟁하기 위해 LPB¹⁵, LiPB¹⁶와 같은 차세대 전지 개발을 많이 했다. 전지 개발자 중에는 자신이 개발한 전지를 과대포장하여 홍보하면서 투자자를 모으는 경우가 많았다. 당시 미국에서는 ‘세상에는 두 부류의 거짓말쟁이가 있다. 통계학자와 전지 개발자다’라는 냉소적인 농담이 유행하고 있었다.

LPB¹⁵: Lithium Polymer Battery의 약자이다.

LiPB¹⁶: Lithium ion Polymer Battery의 약자이다.

통계는 표본을 어떻게 잡느냐에 따라 결과가 달라질 수 있어 거짓말쟁이로 오해받을 수 있지만, 전지 개발과 거짓말쟁이는 연관성을 찾기 힘들다. 그러나 전지를 어느 정도 아는 사람이라면 가설이나 시험 조건을 말하지 않았을 때 허위 보고나 거짓 정보가 될 수 있는 분야가 전지라는 것을 안다. 1990년대에 미국의 전지 개발자들은 당시 전지 후진국이었던 한국의 대기업을 노렸다. 그들은 우리나라에 와서 DOD 80%, DOD 50%의 수명 데이터를 제시하면서 한국 기업을 현혹했다.

전지 회사의 경영진들은 보고를 받을 때마다 데이터의 전제 조건이 무엇인지 따져 봐야 한다. 그렇지 않으면 연구원들을 거짓말쟁이로 만들 수 있다. 연구원은 작동 시간을 2배 늘렸다고 보고하면서, 용량을 늘리는 과정에서 수명이 얼마나 감소했고 안전성이 얼마나 악화됐는지 부연 설명을 하지 않는 성향이 있다. 경영진은 이러한 점을 명확히 짚어야 한다. 그렇게 해야만 연구소가 거짓말쟁이 집단이 되는 것을 막을 수 있다.

충·방전을 계속하면 용량이 감소하면서 서서히 생명력을 잃는다. 이것이 수명 열화다. 수명 열화는 3단계로 진행된다. 1단계는 ‘젤리롤 변형’이다. 전지의 전극은 충·방전을 하면서 부피가 변한다. 이것을 ‘전지가 숨을 쉰다’라고 표현한다. 젤리롤은 양극, 음극 전극과 분리막 2장을 와인더에서 맨드릴에 감아 만든다. 젤리롤이 부피가 변하면서 변형되면, 용량이 그만큼 저하된다. 충·방전 시 변형이 되지 않는 젤리롤을 만들어야 초기 수명 열화를 막을 수 있다. 여러 회사의 전지를 가져다가 50회, 100회, 200회의 충·방전 시험을 한 후, 분해하여 젤리롤 상태를 관찰하면 업체의 기술 수준을 한눈에 볼 수 있다. 기술이 약한 업체의 젤리롤은 50회만 되어도 젤리롤이 심하게 변형된다. 그러나 기술력이 우수한 회사가 만든 전지의 젤리롤은 200회의 시험 후에도 새로 만든 전지처럼 변형이 없다. 이 때문에 삼성SDI, LG화학은 200회의 시험 후에도 변형되지 않는 젤리롤을 만들어낸 Sony, Sanyo, Panasonic을 전지 업체 Top3로 인정하지 않을 수 없었다. 젤리롤 변형을 막으려면 전극의 두께가 균일해야 한다. 와인딩을 할 때 분진이 날려서도 안 된다. 젤리롤 변형에는 잔류 응력¹⁷이 큰 역할을 한다. 젤리롤을 만들 때 잔류 응력이 생기지 않도록 맨드릴에 감는 장력을 조정해야 한다. 각형 전지에서는 맨드릴의 설계도 큰 영향을 준다.

잔류 응력¹⁷: 운동 후 근육이 뭉치는 것처럼 물질에 갇힌 응력(locked-in stress)을 말한다.

젤리롤 변형 단계가 끝나면 2단계인 ‘SEI¹⁸ 필름 파괴’가 수명 열화를 주도한다. 화성 공장에서 1차 충전을 하면 전지가 활성화되는데, 이때 1차 충전 공정을 포메니션(formation)이라고 한다. 포메이션에서 흑연 음극과 전해액이 반응하여 음극 표면에 이온 전도성 피막인 SEI 필름을 형성한다. 충·방전이 진행되면 SEI 필름이 국부적으로 파괴되면서 필름 표면이 거칠어지고, 리튬 원자 흐름이 집중되는 지역에는 SEI 필름이 더 심하게 변형되어 구멍이 나는 곳도 생긴다. SEI 필름이 없어져 구멍이 난 부위에는 흑연과 전해액이 반응하여 새로운 SEI 필름을 만든다. 이때 가스가 발생하면서 캔 내부 환경이 혼탁해진다. 2단계 수명 열화 과정이 가장 길기 때문에, 두께가 균일하고 견고한 SEI 필름을 만드는 것이 장수명 전지 개발의 핵심이 된다.

SEI¹⁸: Solid Electrolyte Inter-phase의 약자이다.

2단계가 끝나면 3단계 수명 열화 기구인 ‘전해액 감소’로 넘어간다. 전해액은 인체의 혈액에 해당한다. 인간은 피를 많이 흘리면 위험해진다. 마찬가지로 전지도 전해액이 감소하면 용량이 줄어든다. 그러다가 전기를 만들지 못할 정도로 전해액이 줄어들면 전지로서의 생명을 다하게 된다. 이것이 전해액 고갈(electrolyte dry-out)이다.

전기자동차에서는 보존 수명(storage life)도 중요하다. 이는 전지를 사용하지 않고 방치했을 때 얼마나 오래 건전성을 유지할 수 있느냐를 평가하는 항목이다. 보존 수명은 가속 수명법을 쓴다고 해도 데이터가 나올 때까지 시간이 많이 걸린다. 오래 숙성된 위스키가 비싼 것처럼 수년 동안 계속하고 있는 수명 시험은 귀중하다. 자동차 회사는 전지 회사가 몇 년째 보존 수명 시험을 하고 있는지 궁금해 한다. 그래서 전지 회사가 자동차 회사와 전지 공동 연구를 하게 되면, 회의 때마다 보존 수명 시험에 관한 질문을 받곤 한다.

전지를 사용하지 않아도 시간이 지나면 자가 방전으로 용량이 줄어든다. 이는 전지 내의 불순물이 전지 반응을 일으켜 용량이 감소하는 것이다. 자가 방전은 한 달 동안 용량이 어느 정도 방전되었는지를 평가한다. 자가 방전은 전해액의 이온 전도도와 관련이 있다. 수용액을 전해액으로 하는 납축전지, 니카드전지, 니켈 수소 전지는 전해액의 높은 이온 전도도로 자가 방전율이 높다. 리튬 이온 전지는 유기 용매를 전해액으로 사용한다. 전해액의 이온 전도도가 수용액보다 낮아서 자가 방전율이 낮다. 자동차를 사용하지 않다가 오랜만에 시동을 걸려고 할 때 시동이 잘 걸리지 않는 것도 이 때문이다. 자동차 엔진룸에 있는 납축전지가 자가 방전으로 용량이 낮아진 것이다. 1차전지는 자가 방전 대신에 저장 수명(shelf life)이라는 용어를 사용한다. 간혹 알칼리 전지를 싸게 파는 경우가 있는데, 이것은 자가 방전으로 용량이 많이 소모된 재고 전지를 처분하는 것이다. 전지는 여름에 자가 방전이 많이 된다. 더운 여름에는 전지를 냉장고에 보관하는 것도 좋은 방법이다.

2000년대 전기자동차용 전지 개발이 본격화되면서 전지산업계에는 생소한 용어가 사용되기 시작했다. DOD 대신에 SOC¹⁹를 사용했고, SOH²⁰라는 용어도 사용되었다. 전기자동차용 전지 성능 평가에서 가장 중심적인 위치를 차지하는 것이 HPPC²¹ 시험이다. 이는 전지와 자동차를 연결하는 가교 역할을 하는 성능 평가 방법이고, 전기자동차 설계의 중심이 된다. HPPC 시험은 SOC를 증가시키면서 충·방전 시험을 하여 구한 출력값에서 최소제곱법(least square method)22으로 그래프를 구하는 것이다.

SOC ¹⁹: State of Charge의 약자이다.

SOH²⁰: State of Health의 약자로, 전기자동차를 상당 기간 사용한 후 배터리팩에 있는 전지의 SOC 분포를 말한다. 전지 셀 간 용량 편차가 작을수록 건강한 전지이다.

HPPC²¹: Hybrid Pulse Power Characterization의 약자이다.

최소제곱법²²: 측정값을 기초로 해서 적당한 제곱 합을 만들고 그것을 최소로 하는 값을 구하여 측정 결과를 처리하는 방법으로, 실험 결과를 그래프로 그릴 때 사용한다.

[그림 2-12]는 HPPC 시험 곡선이다. 이 그래프에서는 충전 곡선과 방전 곡선이 ‘X’자 모양으로 교차한다. 전기자동차의 사용 SOC가 정해지면 HPPC 시험 곡선에서 필요 출력을 구할 수 있다. 출력에서 전지의 크기와 무게가 결정된다. HPPC 시험 곡선은 전지의 종류에 따라 다르고, 동일한 구성 성분의 전지도 제조업체에 따라 차이가 난다. 전지 업체와 자동차 회사가 기술 협의를 할 때 기초가 되는 중요한 전지 데이터라고 할 수 있다. HEV에 사용하는 니켈 수소 전지의 용량은 7Ah이지만, 리튬 이온 전지의 요구 용량은 4.5~5Ah 수준으로 니켈 수소 전지보다 낮다. HPPC 시험 곡선의 모양이 달라서, 출력 위주의 전기자동차인 HEV에서 용량 차이가 나는 것이다.

HPPC 시험 곡선은 1990년대 Toyota, Panasonic, Sanyo가 개발한 것이다. 2000년대 중반까지 HPPC 시험 곡선을 사용한 성능 평가법은 고급 기술이었다. 당시 우리나라 전지 회사에서도 HPPC 시험 곡선을 구하고 해석할 수 있는 사람과 그렇지 못한 사람으로 구분할 정도였다. 본인의 지식과 경험을 다른 사람에게 전파하는 문화가 정립되지 않은 우리나라 전지산업계에서, HPPC 시험 곡선은 더욱더 귀한 대접을 받았다. 전지 회사를 목표로 준비하는 학생들은 전지 회사에 들어가자마자 가장 먼저 HPPC 시험 곡선을 그리는 방법을 습득하는 것이 좋다.

5. 안전성 시험

전지 회사에 가면 볕이 잘 들지 않는 구석에 안전성 시험을 하는 시험실이 있다. 전지를 혹사 조건까지 몰아붙여 강인함을 점검하는 곳이다. 가장 기본적인 시험은 안전성 8대 시험으로, 휴대용 전자기기와 전지산업계가 경험을 통해 만든 시험법이다. 전기자동차에서는 안전성 8대 시험을 토대로 시험 항목을 확대하고 있다.

안전성 시험 결과는 다음의 6가지로 구분한다.

•L0: No change(이상 없음)

•L1: Leakage(전해액 누액)

•L2: Smoke(연기)

•L3: Smoke(연기, 전지 표면 온도 150℃ 이상)

•L4: Fire(발화)

•L5: Explosion(폭발)

안전성 8대 시험에서는 L4, L5가 나오면 안 된다. 전지가 8대 안전성 시험에서 발화, 폭발하면 불합격이고, 해당 배치는 출하할 수 없다.

안전성 시험은 (1) 전기적 시험, (2) 기계적 시험, (3) 환경적 시험으로 분류한다. 여기에 안전성 8대 시험 항목을 넣으면 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) 전기적 시험: ① 상온 단락, ② 60℃ 단락, ③ 과충전

(2) 기계적 시험: ④ 압축, ⑤ 충돌

(3) 환경적 시험: ⑥ 열노출, ⑦ 연소 1, ⑧ 연소 2

안전성 8대 시험에서 주목해야 할 것은 전기적 시험의 과충전과 기계적 시험의 충돌이다. 과충전은 전압이 계속 올라감에 따라 온도가 올라가 열폭주로 불이 나거나 폭발하게 되면 불합격이다. 그래서 열폭주가 되기 전에 전압이 0V가 되어야 한다. 전압과 온도의 속도전이라고 할 수 있다. 전압이 올라가면서 온도가 계속 올라가면, 전지에 있는 안전 부품이 작동하거나 전해액 첨가제가 동작해 전류를 끊어야 과충전 시험에서 합격할 수 있다. 충돌은 분리막과 밀접한 관련이 있는 시험으로, 새로운 분리막을 채용할 때 반드시 이 시험에 합격해야 한다.

안전성 8대 시험 외에 관통 시험(nail penetration test)도 많이 하는데, 이는 [그림 2-13]처럼 못(nail)이 전지를 완전히 관통하도록 하여 강제로 내부 단락을 시키는 것이다. 관통 시험은 못이 가늘고 관통 속도가 느릴수록 에너지가 집중되므로, 더 혹독한 환경이 된다. 일부 전지 회사에서는 전지 안전성에 대한 홍보의 일환으로, 불에 넣어 빨갛게 달아오른 못을 이용해 관통 시험을 하기도 한다.

전지산업계에는 충돌 시험과 관련된 안타까운 이야기가 있다. 삼성SDI는 2003년 노트북 주요 OEM인 HP(Hewlett Packard) 시장 진출 기회를 잡았는데, HP에 2.2Ah 18650 원통형 전지를 공급하려면 18μm 두께의 습식분리막이 필요했다. 당시 습식분리막은 일본의 Asahi Kasei와 Toray Tonen이 독점하고 있었다. 공급 부족 상태의 습식분리막 시장에서 일본 업체는 한국 전지 회사에 제대로 공급해 주지 않았다. 일본으로부터 습식분리막을 구하지 못한 삼성SDI는 미국 Celgard²³의 18μm 건식분리막을 사용하기로 한다. Celgard 분리막으로 만든 전지는 충돌 시험을 통과하지 못하고 계속 불합격했다. 습식분리막과 비교하여 건식분리막은 뚫림 강도가 약하기 때문에 두께가 얇으면 충돌 시험을 통과하기 어렵다. 다급해진 삼성SDI는 충돌 시험에 사용하는 쇠봉의 두께를 조정하여 시험을 한다. 쇠봉의 두께를 변경하자 발화하지 않는 전지가 나왔다. 삼성SDI는 충돌 시험에 합격했을 때 사용한 쇠봉의 지름으로 충돌 시험을 변경한다.

Celgard²³: 미국 노스캐롤라이나주에 있는 건식분리막 업체이다. 2015년에 습식분리막 업체인 일본의 Asahi Kasei가 인수한다.

Celgard의 18μm 건식분리막을 사용한 18650 원통형 전지는 2003년 5월 20일 HP의 중국 OEM인 Quanta에서 노트북 에이징(aging) 중 발화 사고를 낸다. 에이징 시험은 노트북에 배터리팩을 장착한 후 20번 충·방전하는 것으로, 노트북 품질 시험의 마지막 관문이다. 삼성SDI 전지는 Quanta에서 12번째 사이클을 하던 중 불이 난다. Quanta에서의 노트북 발화 사고 이후 6개월간 여기저기서 노트북 발화 사고가 일어났다. 주요 OEM인 HP에서만든 노트북은 전 세계에서 팔리고 있었기에 삼성SDI 전지는 유럽, 미국, 중국, 남미, 북아프리카 등 다양한 지역에서 발화 사고를 일으키며 영업 사원들을 분주하게 만들었다. 삼성SDI가 충돌 시험에 사용하는 쇠봉의 지름을 바꾼 것은 안전성 시험을 요식 행위로 생각했기 때문이다. 전지산업계에는 이렇듯 안전성 시험을 형식적인 것으로 생각하는 분위기가 만연하고 있었다. 그 이전인 2002년 말이나 2003년 초만 해도 전지에 불이 나는 사고는 없었다.

2003년 HP 노트북 발화 사고로, 삼성 내에서 전지 사업의 위상은 급격히 추락했다. 2006년에 Ford와의 전기자동차용 전지를 공동 연구 하면서 pilot plant를 건설해야 했는데, 기흥에 있는 연구소는 디스플레이 pilot plant 때문에 비좁은 상태였다. 전지 개발팀은 수원 공장에 전지 pilot plant를 건설하려고 했으나, 삼성 경영진들이 강하게 반대하고 나섰다. 아파트 주거 지역 가까이에 있는 수원 공장에서 전지 개발을 하다가 불이 나면 삼성 전체에 큰 타격을 줄 것으로 생각한 것이다. 이후 수개월간 경영진을 설득한 후에야 겨우 수원 공장에 전지 pilot plant를 건설할 수 있었다. 당시 LG화학은 Apple에서 리콜을 당해 수천억 원의 적자를 낸 후 전지 사업을 매각하려던 상태였다. 전지는 LG와 삼성의 회장 과제였다. 그러나 2003년 HP 노트북 발화 사고와, 2004년과 2005년 Apple 노트북 발화 사고로 인해 회장 과제라는 보호막은 없어졌다. 미래 성장 사업이기는 하지만 위험한 사업이라는 인식이 자리 잡기 시작한 것이다. 전지 사업은 성장과 안전성이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡아야 하는 사업이다. 이러한 특성 때문에 경영진들은 LG화학과 삼성SDI 울타리 안에 전지 사업을 갖고 있기보다 독립시키는 것이 낫다는 생각을 하기 시작했다.

6. 전지 색상

원통형 전지는 금속캔에 절연 튜브를 씌워 캔 본체를 절연하고 캔 머리가 양극, 꼬리가 음극이 되게 한다. 각형 전지는 머리가 음극, 꼬리가 양극이 된다. 주로 절연 튜브는 홍보를 위해 화려한 색으로 디자인하고, 파우치 전지에는 회사 로고 등이 들어간 테이프를 붙인다.

LG화학은 1999년 10월 청주에 전지 공장을 건설한 후 준공식을 했다. 당시 협력 관계에 있던 도시바전지의 오타(Otta) 사장이 축하 연설을 하면서 자리를 빛냈다. LG화학은 1997년부터 도시바전지에서 리튬 이온 전지를 받아 휴대폰용 배터리팩을 만들어 LG정보통신(現 LG전자)에 공급하는 사업을 하고 있었다. LG화학의 전지 공장 준공식은 일본의 7개 업체에 이어 세계 8번째 전지 회사가 탄생하는 순간이었다. 일본을 제외한 나라에서는 세계 최초다.

2000년 3월 LG화학은 미국 플로리다 전지 학회의 초청으로 전지 회사임을 선언하는 발표를 하게 됐다. LG화학은 발표 자료에 넣기 위해 LG로고와 검은색, 붉은색이 들어간 전지 디자인을 고안한다. 붉은색의 LG로고와 어울리는 색은 드물다. 검은색이 가장 잘 어울린다. [그림 2-14]의 LG화학 전지 디자인은 미국 전지 학회를 위해 전지사업부 직원들이 만든 작품이다. 디자인에 경험이 있는 사람은 없었다. 순수하게 아마추어의 열정으로 만든 작품이다. 시간이 흐르면서 전문가의 손길이 조금씩 닿으면서 고급스러운 분위기가 연출됐고, 검은색과 붉은색 외에 회색이 가미됐다. LG화학은 Tesla에 공급하는 21700 원통형 전지에서 검은색을 제거하고, 흰색 바탕에 붉은색과 회색을 약간 가미하여 우아하고 아늑한 분위기가 느껴지도록 했다.

2000년 3월 LG화학은 LG화학 전지 디자인이 들어간 발표 장표를 사용하여 미국 플로리다 전지 학회에서 전지 사업 진출을 알리는 발표를 했다. 학회 참석자들의 반응도 좋았다. 전지산업계에 전혀 알려지지 않은 한국의 LG화학이 리튬 이온 전지 사업에 진출했다는 것에 놀라움을 표시했다.

LG화학의 다음 차례였던 Jeff Dahn 교수는 다른 주제를 발표하던 중에 LG화학의 전지 디자인에 대하여 열전달을 모르는 사람이 설계한 디자인이라고 지적한 바 있다. Jeff Dahn 교수의 이야기는 기술적으로는 맞는 이야기다. 전지를 검은색처럼 열을 잘 흡수하는 색상으로 디자인하면 전지 성능에 악영향을 준다. 붉은색도 마찬가지다. 전지 표면의 색상을 신경써야 할 정도로 전지의 성능과 안전성은 온도에 민감하다. 전지 색상은 자극적이고 강렬한 색보다 시원한 느낌을 주는 색을 사용해야 과도한 열 흡수를 막을 수 있다. LG화학이 Tesla에 공급한 원통형 전지의 디자인([그림 2-14(b)])은 예술과 과학이 조합된 훌륭한 디자인이다. Tesla에서 전지 개발을 담당하고 있는 Jeff Dahn 교수도 LG화학 전지의 새로운 색상에 찬사를 보낼 것이다.

Jeff Dahn은 캐나다 Moli Energy의 연구원으로 일했었다. Moli Energy는 1988년 리튬 금속을 음극으로 하는 리튬 2차 전지인 MOLICEL을 출시한다. 출시 이후 승승장구하던 MOLICEL은 일본 NEC 휴대폰에서 발화 사고를 일으켜 1989년 리콜 조치를 당한다. 결국 작은 회사였던 Moli Energy는 파산하였고, NEC 소유가 된다. Moli Energy는 MOLICEL과 함께 리튬 이온 전지도 개발하고 있었다. NEC는 Sony의 Nigaura 박사를 Moli Energy로 보내 Moli Energy의 리튬 이온 전지를 Sony 식으로 바꾼다. Moli Energy 사람들은 Nigaura를 일본에서 온 황제라고 불렀고, 그가 Moli Energy의 흔적을 모두 없애자 자존심이 상한 캐나다의 전지 기술자들은 Moli Energy를 떠난다. 이때 Jeff Dahn은 Moli Energy를 떠나 캐나다에 있는 대학의 교수로 갔고, 현재 Tesla에서 전지 개발을 책임지고 있다.