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[기고] 데이터센터의 새로운 활력, 리튬이온 배터리
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[기고] 데이터센터의 새로운 활력, 리튬이온 배터리
  • 제프 케센(Jeff kessen) 버티브 글로벌 에너지 스토리지 담당 부사장
  • 승인 2020.02.12 15:19
  • 댓글 0
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남아프리카 IS파크랜드에 데이터센터 무정전전원장치(UPS)를 설치하는 모습./버티브 

데이터센터 무정전전원시스템(UPS)에는 보통 납축전지가 사용된다. 최근 이 대안으로 리튬이온 배터리가 각광을 받고 있다.

리튬이온 배터리의 가장 큰 매력 중 하나는 기대 수명이다. 리튬이온 배터리의 기대 수명은 납축전지보다 약간 더 긴 정도가 아니다. 어쩌면 배터리 교체가 필요 없을 만큼 길 수도 있다.

그토록 긴 수명을 증명할 수 있는 리튬이온 배터리 적용 사례가 없다는 것이 현재로서는 아쉬운 점이다. 리튬이온 배터리가 데이터센터 분야에 적용되기 시작한 게 비교적 최근의 일이기 때문이다. 그렇다면 참고용으로 제시할 만한 실제 운영 데이터도 없는데, 어떻게 데이터센터 운영자들에게 리튬이온 배터리가 이처럼 긴 기대 수명을 제공할 것이라고 확신시킬 수 있을까?

이는 리튬이온 배터리로 전환을 고려하는 고객들로부터 버티브(Vertiv)가 가장 많이 받는 질문 중 하나다. 이를 위해서는 데이터센터 애플리케이션에서 리튬이온 배터리의 성능이 어떻게 저하하는지에 대한 약간의 이해가 필요하다.

 

리튬이온 배터리의 성능 저하

온도에 따른리튬이온배터리의 캘린더 수명./버티브

리튬이온 배터리에는 크게 두 가지의 서로 독립된 저하 모드가 있다. 하나는 주기 수명(cycle life)과, 다른 하나는 캘린더 수명(calendar life)과 각각 연결된다. 데이터센터 애플리케이션에서는 보통 배터리 주기 수명과 관련한 것은 드물고, 캘린더 수명이 실제 활용 수명의 주 원인이다.

캘린더 수명은 시간이 지날수록 배터리 용량이 얼마나 줄어드는지를 설명한다. 다른 배터리 기술들에서와 마찬가지로, 온도는 캘린더 수명에 중요한 영향을 미친다. 같은 리튬이온 배터리라도 높은 온도에서 작동할 때가 낮은 온도에서 작동할 때보다 더 빨리 성능이 저하된다.

리튬이온 배터리는 자동차 분야에서 10년 넘게 활용됐기 때문에 오늘날 배터리 제조사들은 통제된 실험실 환경과 실제 동작 환경 모두에서 실시한 대규모의 캘린더 수명 데이터를 보유하고 있다. 이들 데이터는 시간의 경과에 따른 리튬이온 배터리 열화가 예측 가능한 수준에서 일어나며, 특정 용량 수준 이하로 급격히 저하되지는 않는다는 것을 보여준다.

또 일반적으로 데이터센터 분야는 자동차 환경보다 주변 온도에 대한 관리가 훨씬 더 엄격하다는 점에서, 이들 데이터는 리튬이온 배터리 수명에 대한 신뢰도를 높이는 참고 자료로 충분한 가치가 있다.

현재로서는 리튬이온 배터리가 12~13년 동안 작동 중인 데이터센터 애플리케이션 사례를 제시할 수는 없다. 하지만 배터리 수명에 대한 현실적인 기대치를 설정하기 위해, 앞서 예시한 자동차 애플리케이션 같은 특정 배터리 시스템과 애플리케이션을 기반으로 한 다른 분야의 경험을 활용할 수는 있다.

 

성능 저하와 런타임의 상관관계

자주 접하게 되는 또 다른 질문 하나는 배터리 연식이 배터리 런타임 저하에 미치는 영향과 관련이 있다. 다시 말해, 리튬이온 배터리도 납축전지와 비슷하게 연식이 오래되면 갑자기 고장이 나기 쉬운가 하는 것이다.

앞서 언급했듯이 리튬이온 배터리는 예측 가능하게 성능이 저하하는데, 실제로 배터리 연식이 오래될수록 저하율 역시 감소한다. 결과적으로, 런타임이 용량의 급격한 감소에 영향을 받지는 않을 것이다.

그러나 리튬이온 배터리 역시 납축전지와 마찬가지로 연식이 오래될수록 내부 저항이 증가한다. 이 저항에 의해 발생한 열이 배터리 관리 시스템(BMS)에 설정된 임계 값을 넘으면 BMS는 배터리가 과열되는 것을 막기 위해 런타임을 제한한다.

그럼에도 불구하고 리튬이온 배터리의 연식에 따른 예상 런타임 변화는 납축전지의 경우보다 예측 가능하며, 변화의 폭도 크지 않다.

 

리튬이온 배터리의 안전성

시스코의 데이터센터. 기사와는 상관 없음./시스코
시스코의 데이터센터. 기사와는 상관 없음./시스코

노트북 컴퓨터나 그 밖에 다른 모바일 기기에서 리튬이온 배터리 화재 사고가 발생한 적이 있다 보니, 리튬이온 배터리의 안전성에 대한 문의도 종종 받는다.

리튬이온 배터리는 내부 압력이 지나치게 높아질 경우 가스 방출이나 발화가 일어나게 되는 조건들이 알려져 있다.

이러한 위험 조건을 파악하고 제어하기 위해 리튬이온 배터리 시스템에 BMS가 통합된다. 배터리의 신뢰성에 대한 지속적인 모니터링 역시 BMS의 매우 중요한 기능이기는 하지만, 가장 중요한 기능은 역시 안전성을 보장하기 위해 위험 요건들을 파악하고 제어하는 것이다.

일반적으로 리튬이온 배터리 사용에 있어서 가장 위험한 악용 조건은 배터리 셀의 과충전과 과열, 그리고 단락이다.

BMS는 셀 전압, 시스템 온도, 배터리 전류, 그 밖에 다른 파라미터들의 지속적인 측정을 바탕으로 배터리가 안전한 작동 범위 내에서 유지될 수 있도록 제어한다. 배터리 시스템의 UL 또는 CE 인증은 BMS의 기능과 효과를 검증했다는 표시다.

BMS가 이 기능을 얼마나 잘 수행하는지를 보여주는 사례가 하나 있다. BMS가 작동 중일 때에는 배터리 내에서 발화가 일어나지 않기 때문에, 통상적으로 제조사들은 배터리 발화 테스트를 할 때 BMS 연결을 끊는다.

리튬이온 배터리는 긴 기대 수명, 예측 가능한 성능 열화, 안전성 등 다양한 장점들을 바탕으로 데이터센터 UPS 분야에 새로운 활력을 불어넣고 있다.


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