리튬이온 배터리란?
기존에 충전이 않되는 전지를 1차전지라고 하죠. 충전이 가능한 전지는 2차전지라고 부릅니다. 2차전지에는 흔히들 많이 사용되는 것이 니카드전지입니다. Ni-Cd(니카드=니켈카드뮴), Ni-Mh(니켈메탈하이드라이드)전지등은 공통적으로 니켈이 포함됩니다.
이러한 전지는 메모리 효과를 가집니다. 메모리 효과는 다음에 설명하고 리튬이온 전지는 리튬산화물질로 + 극을 만들고, 탄소로 - 극을 만든다고 합니다. 휴대폰을 사용하기 시작하면 + 극의 리튬이온이 중간의 물질을 지나서 - 극의 탄소격자속으로 들어 간다고 합니다. 이때, 극판에 손실이 거의 없기 때문에 장수명 특성을 가진다고 합니다.
메모리 효과란?
니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름으로 나타납니다.
여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, 즉 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰고 또 충전하고 하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비 가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모리효과라고 합니다.
따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법입니다.
그러나 리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않습니다. 오히려 조금쓰고 충전하고 조금쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과(표현이 정확하지 못할지도 몰라요)가 있습니다.
이러한 이유때문에 리튬이온전지가 Ni-계 전지보다 훨씬 비싼데도 더 수요가 늘어나고 사용자가 찾게되는 것 입니다
충전기의 충전 방식
전지가 충전된 후 배터리를 계속 두려면 찝찝하죠. 제대로 된 충전기라면 그냥 두어도 상관없으나 잘못된 충전기라면 문제가 될 수도 있습니다.
리튬이온배터리는 특성상 충전시작때 정전류방식을 사용한다고 합니다. 따라서, 충전전류를 일정하게 계속가해주면서 단자전압을 계속 검사합니다. 단자전압이 4.2 볼트까지 상승하면 이때부터 정전압 회로를 구동하여 4.2볼트로 유지합니다. 그렇게 되면 충전전류가 점점 감소하여 0이 되는 것입니다.
따라서 제대로 된 충전기라면 며칠을 그냥 꼽아 두어도 실제 만충전이후에는 충전되지 않습니다. 그러나, 문제는 4.2볼트를 정확히 측정하지 못하는 충전기인 경우 (특히 비품 충전기) 과충전 또는 부족 충전될 가능성이 있습니다.
또 일부 충전기의 경우 정확히 4.2볼트를 측정할 자신이 없는 경우 4볼트 정도에서 정전압으로 바뀌어 만충전되지 못하는 상황이 벌어지기도 합니다.
특히 과충전의 경우 리튬이온 전지 특성상 급격히 수명이 짧아진다고 합니다. (4.2볼트는 1셀일때고, 2셀 즉, 1셀 2개 직렬연결인 경우 2배가 됨)
리튬이온 배터리의 수명
세상에 무한한 것은 없다고 합니다. 하물며 전지는...
앞서 언급한 바와 같이 리튬이온은 장수명을 가질 수 있도록 설계되어 있지만 하늘이 주신(?) 수명은 기껏해서 수천회 충방전입니다.
그런데 이것도 무엇으로 리튬이온전지를 만들었나에 따라, 아니면 제작업체의 기술력에 따라 달라진다고 합니다. 세계에서 가장 좋다는 일본 소니의 경우 4000회의 충방전에도 원래 용량을 유지한다고 합니다.
첫번째의 경우 전지의 활물질 성분에 따라 달라진다고 하더군요.
[ 활물질 TYPE 1 ]
특징 : 3칸에서 2칸까지는 서서히, 2칸에서 전원OFF까지는 급격한 타입
대강 아시겠죠. 주로 소용량 배터리의 경우입니다.
보통 500회 정도 : 그래서 소용량을 오래 못 씁니다.
[ 활물질 TYPE 2 ]
특징 : 3칸에서 2칸은 빨리, 2칸에서 전원 OFF 까지는 천천히 타입
주로 대용량 배터리입니다.
보통 1000회 : 삼성것은 보니 대용량은 원통형이 많습니다.
원통형은 같은 용량일때 각형보다 가볍습니다.
리튬이온 전지 오래 쓰는 법
이 부분이 오류가 가장 많은 부분입니다. 또 전문적인 재료, 화학 지식이 많이 필요한 부분입니다.
하여튼 결론은 되도록 완충/완방을 하지 않고 조금사용하고 충전하고 하는 것이 더 좋다 입니다. 이유는 너무 어려워서 생략하겠습니다.
그런데 보통 전지를 사용하다 보면 용량이 적어진 것을 느낄 수 있습니다. 이때 다시 완충전/방전을 하면 용량이 다시 살아나는 것을 알 수 있습니다. 이것하고 수명을 혼돈하는 것입니다.
즉, 용량과 수명은 선형적인 관계가 아니다라는 것입니다.
용량이 다시 살아나는 이유는 복잡하던데, 하여튼 이온이 흘러가는 통로에서 여러가지 이유로 이온중 여러개가 극판까지 도달하지 못하게 되는 것이 많아지게 되는 것입니다. 이때 완충/완방전을 해주면 다시 잘 흐르게 되는 것 입니다. 이것은 용량 문제이지 수명문제가 아닙니다.
결론적으로 장수의 비결은 "조금만 사용하고 충전하며, 용량이 떨어졌다 판단되면 이때 완충/완방 한번 해주는 것" 입니다.
= "소식하고 욕심을 버리고 살다가 한번씩 기분전환하라"
휴대폰용 리튬이온 배터리
참, 이거 공개해도 될런지 모르겠지만 대강 흐릇하게 쓸께요.
리튬이온전지 = 전지자체 (베어셀) + 보호회로 + 케이스
국내에 사용되는 리튬이온전지의 베어셀은 대부분 일제입니다. 일본에서는 Sony, Sanyo, A&TB(도시바합작) 입니다. 전번 삼성A/S에서 삼성은 산요것을 쓴다고 하던데 맞는지는 모르겠습니다.
이 베어셀은 수만개단위로 유통시 1000엔 이하라고 합니다. (와 싸다 하는 생각이 조금 드실꺼에요) 이걸 수입하여 보호회로 달고, 케이스 속에 넣어서 뒷면에 Cell Made in Japan을 붙입니다.
지금 국산화 개발이 한창 진행중이니까 곧 국내제품을 사용할 수 있을 것입니다. 지금 우리연구소와 한참 공동연구중이더군요.
리튬이온은 휴대폰용 말고도 전기자동차(EV)등에서도 사용됩니다. Expo때 전기차 생각나시죠. 우리 연구소에서 제작한 것이죠.
리튬폴리머 전지
드디어 앞서 말한 경로이야기를 할 때 입니다. + 극과 - 극사이에 뭐가 있을 까요. 리튬이온전지는 액체로 된 전해액이 들어 있습니다.
문제는 이 전해액은 유기성인데 휘발유보다 더 잘타는 물질입니다. 그래서 폭발의 위험이 있습니다. (우- 이것을 가슴에 품고 다니고 있어요) 전지뒤에 딱지에 보면 잔뜩 겁주는 이야기가 바로 그것입니다.
리튬폴리머는 바로 이점을 개선한 것입니다. 전해액대신에 고분자물질로 채워서 안정성(Safety)을 높인 것입니다.
단점은
- 리튬이온보다 용량이 작다
- 리튬이온보다 수명도 짧다
장점은
- 리튬이온보다 안전하다.
- 리튬이온보다 가볍다.
단점은 기술개발로 좋아질 수도 있는 것이죠.
배터리 충전 완료 후 충전기에 두어도 좋은가?
전밑에 연달아 올린 "리튬이온 배터리에 대하여"를 잘 읽어 보신 분은 이해가 빠르시겠지만, 국내 메이커에서 생산한 충전기가 이러한 충전방식을 만족하는 가에 대하여 우리연구소 전지기술연구팀의 형유업 선임연구원이 자신의 삼성 SCH-400용 전지 및 충전기로 시험을 한 결과를 보내왔습니다.
결론은 좋다입니다.
----------------------------------------------
제가 사용하고 있는 SCH-400용 리튬이온전지 가정용 충전기에 중용량배터리를 충전하면서 충전전압과 전류를 모니터 해봤습니다.
(참고)
일반적인 리튬이온전지의 상식으로는 SCH-400이 two cell방식이기 때문에 최대 충전전압은 4.2x2=8.4V 입니다.
(실험)
약 절반정도 사용한 (저희들은 이 상태를 50% SOC라고 합니다) 상태의 전지를 충전기에 연결... 이때 전압단자에 voltmeter(소숫점 7자리 짜리)와 병렬연결하고 (+)전압단자는 ampere meter를 경유하여 충전기와 배터리팩이 접속되게 연결하였음.
이때 충전초기(이미 50%정도 충전이 된 상태의 전지지만... 시작을 초기라 표현)에 7.6V가 걸리고 전류는 560mA가 흘렀음.
시간이 지나면서 전압은 서서히 증가하고 전류는 서서히 감소...
어느 순간인지는 보지 못했지만 이미 충전기는 녹색불이 들어 와 있었음.
약 2시간 경과후 전압은 8.28V를 유지하였고 전류는 15mA정도가 흘렀음.
3시간 경과후 전압은 8.19V 전류는 드디어 "0"을 나타내었음.
3시간 이후에는 간헐적으로 8.29V의 전압이 걸리고 이때 전류는 13mA가 흐르는 것이 반복적으로 나타났음. 그러나 이 현상은 대략 수초정도 밖에 되지 않음.
(결과)
충전초기에는 정전류충전에 가까운 충전방식(정확하게 전류를 제어하지는 않았기에)으로 충전을 하고 충전말기에는 정전압을 사용하여 과충전을 방지하고 있음.
충전완료후에는 미리설정된 전압(본 실험의 경우 약 8.18V) 이하로 떨어지면 8.29V 정도의 정전압으로 충전하는 알고리즘을 사용함. 이때 전류는 대략 13mA가 흐름.
(결론)
적어도 삼성전자에서 나오는 (아남정밀제조) 애니콜용 충전기의 경우 충전기에 녹색불이 들어온 상태에서 일주일이든 열흘이든 올려둬도 전혀 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었음. 현재 일본과 미국에서 리튬이온전지 충전용 IC가 많이 나오는데 아마도 이중 하나를 사용한 것으로 판단됨. 충전기에 녹색불이 들어오고나서도 한시간 정도는 적으나마 전류가 계속 흐르고 있음. 즉, 녹색불이 막 들어왔을때 충전은 대략 90~95%가 완료된 것으로 판단됨.
(정리해 보면)
일반적으로 SONY에 의해 잘 소개 되어 있는 것처럼 충전초기에 정전류충전, 충전말기에 정전압 충전을 하는 것을 알 수 있음. 충전상한 전압은 아마도 8.3V일 것으로 판단됨. 왜냐하면 리튬이온전지의 셀당 충전상 한 전압이 4.2V이며 일부 셀의 경우 오래 사용하기 위해 전지공급자가 4.1V를 충전 상한으로 사용할 것을 제시하기 때문에 그 중간에 해당하는 셀당 4.15V를 사용하는 것으로 판단됨. 최근 많은 논란이 되고 있는 충전기에 충전이 끝난 전지를 두어도 좋은지 나쁜지...에 대한 해답은 두어도 좋다임.
휴대폰을 오래 사용하면 따뜻해지는 이유
리튬이온전지는 다음과 같은 특성을 가집니다.
- 충전지 온도가 내려간다
- 방전시 (휴대폰 사용시) 온도가 올라간다
이러한 특성은 일반 전지와는 정반대이며 방전시 6,7도 정도 상승합니다.
따라서, 휴대폰을 오래 사용하게 되면 따뜻해지는 것입니다.
저가(비품) 차량용 충전기 실험
테스트한 김에 SPH-4000 PCS 소용량 배터리를 길거리에서 구입한 싸구려 시거 충전기로 충전하였을 때, 얼마나 잘 충전하나 싶어서 테스트해 보았습니다.
아시는 바와 같이 SPH-4000은 1셀방식으므로 최대 충전전압은 4.2V입니다. 4.5V를 넘으면 배터리가 맛이 가지요... (완전히...) 4.2V이하로 충전해야 하기때문에 보통 순정품 충전기는 4.1볼트가 되면 충전을 완료합니다.
즉, 3.x볼트(배터리 남은 용량)에서 전류를 흘려주면 전압이 점점 상승하다가 4.1x볼드가 되면 전류는 0이 되어야 합니다. 이전 순정품(SCH-400)은 이러한 특성을 보였습니다.
멀티메타 2대로 연결하고 12V 를 인가하여 확인해보니, 전류는 그런대로 계속 적당히 흘리는데, 3.9V정도되니 LED에 파란불이 왔습니다.
응~ 이놈이 벌써 충전이 다된줄 아네.. 휴대폰에서도 전지가 1칸뿐이데.. 그런데, 이놈이 따로 놀았습니다. 충전이 완료되면 켜지는 것이 아니고 대강 전압을 읽어서 파란불을 켜는 것이었습니다. 계속 충전은 진행중이었습니다. 2시간정도 지나니 4.18정도까지 올라왔습니다.
[참고 : 전압이 4.2볼트 근처가 되면 급상승함]
아, 이제 끝나겠지... 왠걸 -- 전류는 계속 흐르고 있었습니다. 잠깐 딴 짓하다 보니 전압이 무려 4.24볼트까지 상승하였습니다. 깜짝 놀라서 전부 분리하고, 아이구 내 배터리야 ~ ~
결론 :
1. 15,000 짜리 충전기는 전화기를 걸어 놓을 때만 사용하자 (제것은 아주전자라고 쓰여 있네요... 연락처도 없고)
2. 꼭 충전해야 할 경우 계속 두지말고 휴대폰 LCD상에 전지표시가 다 차면 뽑자.
3. 비싸도 순정품이 좋다. 아니, 좋은 이유가 있다. (회로를 보니, 충전용IC는 당연히 없고... 케이스만 빼면 1000원 정도의 회로임)
* 혹시 차량용 거치대에 계속 충전하고 다니시는 분 조심하세요...
배터리를 오래 방치하면 수명이 짧아지나?
질문: 배터리를 분리하여 오래동안 방치한다면 배터리 수명이 짧아지나요?
답변: 참 간단하면서도 어려운 질문입니다. 일반적으로 많은 2차전지의 경우에 오랫동안 사용하지 않고 방치해 두면 전지의 성능이 저하되는 경우를 보게 됩니다. 여러가지 원인이 있을 수 있지만 주로 전지의 자기방전에 의해 과방전되어 전지의 성능저하와 수명단축을 가져오게 될 수도 있습니다.
자기방전율 관점에서만 본다면 문의하신 리튬이온전지는 기존의 휴대기기에 가장 많이 사용되었고, 현재도 저가의 상품들에 사용되고 있는 Ni/Cd나 NiMH, 납축전지들보다는 자기방전율이 매우 낮습니다. 예를들면 NiMH는 15%/월인데 반해 리튬이온전지의 경우 (+.-)전극을 구성하는 활물질에 따라 차이가 납니다만 약 3~5%/월 로서 매우 우수한 장기방치특성을 지니고 있습니다. 따라서 오래 사용하지 않고 방치해 둔다면 위에 언급된 전지들 둥 리튬이온 전지가 가장 영향을 적게 받을 것으로 판단됩니다.
그리고 장기간 사용않고 방치해야만 한다면 방전상태에서 보다는 충전상태에서 보관을 하는 것이 좋습니다. 그래야 몇달이 지나도 과방전되어 전지에 치명적인 손상을 주는 일이 일어날 확율이 낮겠지요.
덧붙여 말씀드리면 리튬이온전지는 비교적 최근에 개발되어 1992년 봄부터 일본의 SONY에 의해 세계최초로 상품화에 성공하였으며, 한국에서 시장에 출하된 것은 대략 1995년말, 1996년초정도에 최고급모델의 이동통신단말기에 답변확정되면서 본격적으로 일반에게 소개되었습니다. 때문에 아직까지도 일반인들에게는 생소한 전지라 할 수 있습니다.
리튬이온전지가 기존의 Ni/Cd나 NiMH전지에 비해 고가인것은 사용되는 재료가 지구상에서 존재하는 물질의 매장량으로 볼때 희소하기 때문에 비싼 것입니다. 사용되는 전해질도 수용액계가 아닌 고가의 유기전해질과 눈이 튀어나올 만큼 비싼 리튬염(kg당 수십만원정도)을 사용하기 때문입니다. 그런데도 이동통신단말기와 노트북, 캠코더 등 3C산업에서 앞다투어 리튬이온전지를 채용하는 것은 동일한 체적, 무게일때 용량은 니카드의 약 3배, 니켈수소(정확히는 니켈-수소저장합금)의 약1.5~2배에 달하고 전지의 수명또한 대략 2배이상으로 길며, 특히 메모리효과가 없다는 점은 사용자로 하여금 전지의 특성을 잘 모르고 사용하여도 오래 쓸수 있다는 장점이 있습니다.
실제로 Ni/Cd전지를 이동통신 단말기에서 1년이상 사용하기란 쉬운일이 아니지만 리튬이온전지의 경우 95년부터 사용하였지만 전지의 수명이 다되어 바꾸었다는 얘기는 거의 없지요. (그런가? 물론 충전기등을 잘못사용한 경우에 수명이 짧아진다던가, 기타 이유외에 정상사용시...) 그래서 비싸도 고급기기에 약방의 감초처럼 자리잡게 되는 것입니다.
관심이 있으신다면.. 다 읽어보리라 믿습니다..
위의 지식은.. 믿을수 있는 사이트에 나온 내용으로 정확한 내용임을 밝혀 둡니다..
내용이 너무 많은가요;;?? ㅎㅎ;
도움이 되셨으면 합니다...^^
익명 작성일 - 