리튬폴리머 배터리 자료

리튬이온 배터리는 완충완방이 필요한가? 2004-10-29 17:49


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노트북부터 휴대폰에 이르기까지 휴대성을 강조한 제품들의 대부분은 리튬이온 방식의 충전식 배터리를 사용한다. 과거에는 니켈카드뮴 충전식 배터리를 사용했지만 여러 가지 측면에서 장점이 많은 리튬이온 배터리는 그 자리를 차지하게 되었다. 하지만 한간에는 이용자들 사이에서 리튬이온 배터리와 관련돼 잘못 알려진 소문이 돌기도 한다. 예를 들면 배터리의 메모리 효과인데 과연 이러한 것이 리튬이온 배터리에도 있는 것일까? 이번에는 리튬이온 배터리에 얽인 소문과 그 진실을 알아보자.
메모리 효과의 정체는?
리튬이온 배터리는 음극(-)의 전하를 가지는 이온화된 리튬이 이동하는 것을 이용해서 전지로 동작하게 돼 있다. 이때 리튬은 양극의 어느 쪽에 있더라도 항상 이온의 상태를 유지하고 있으며 단자를 구성하고 있는 소재와 결합해 다른 상태로 바뀌는 일은 생기지 않는다. 이러한 기본 원리 때문에 완전 방전되지 않은 상태에서 새롭게 충전을 해도 니켈카드뮴(니카드) 배터리나, 니켈수소 배터리처럼 완전 방전되지 않은 부분을 더 이상 쓸 수 없게 되는 메모리 효과를 일으켜 전체 배터리의 용량이 줄어드는 일은 없는 것이다. 하지만 많은 노트북 PC의 사용자들은 오랫동안 충방전을 반복하고 나면 용량이 줄어드는 메모리 효과가 있다고 주장하는 사람도 있다. 즉 리튬이온 배터리에도 메모리 효과가 있다는 것이다. 그렇다면 이것은 사실일까?
디지털 캠코더용 배터리 팩

결론부터 말한다면 리튬이온 배터리에는 절대로 메모리 효과가 생기지 않는다. 하지만, 니카드 배터리나 니켈수소 배터리에서 생기는 메모리 효과와 비슷한 현상이 발생하는 일이 생긴다. 이 두 가지 현상의 차이는 매우 크며 중요하다. 배터리의 메모리 현상은 근본적으로 해결할 수 없는 문제이지만 리튬이온 배터리에서의 현상은 일시적인 것으로써 그 원리를 알고 대처 방법을 알면 해결할 수 있기 때문이다.
리튬이온 배터리의 단점은 지나치게 충전을 하면 파열될 위험이 있고 순간적인 방전에도 약하며 지나친 방전을 하게 되면 배터리로써의 기능에 영향을 받는다. 그렇기 때문에 이러한 단점을 없애기 위해서 리튬이온 배터리에는 반드시 충방전을 관리하는 마이크로 칩을 넣게 된다. 이 마이크로 칩은 리튬이온 배터리의 상태를 항상 관리하는 것이다.
이 마이크로 칩의 역할은 배터리를 충전하거나 방전할 때 항상 사용 가능한 최대의 용량을 찾아서 기억하고 충방전을 하도록 제어한다. 하지만, 사용자의 충방전 습관에 따라서 마이크로 칩이 계산을 하는 포인트에 오차가 생길 수 있다. 그리고 이러한 오차가 쌓이게 되면 최초로 사용할 수 있었던 배터리의 용량에서 훨씬 떨어질 때도 있다. 이러한 상황에 오게 되면 대부분의 노트북 PC 사용자들은 '메모리 효과'로 착각하게 되지만 실제로는 리튬이온 배터리에 내장돼 있는 마이크로 칩에 오차가 누적된 것이다.
노트북용 배터리는
대용량을 필요로 한다.

이것을 해결하기 위해서는 마이크로 칩에 배터리의 정확한 용량을 알려주어야만 한다. 이것을 유도하기 위해서 시스템을 켜 놓은 상태에서 리튬이온 배터리가 완전히 방전돼 시스템이 꺼지게 놓아둔다. 그리고 이것을 다시 완전 충전하고, 다시 완전 방전시키기를 약 2회 정도 반복하면 대부분의 마이크로 칩은 배터리의 원래 용량을 알게 된다. 단, 이렇게 해도 배터리의 충전 용량이 회복되지 않는다면, 그것은 배터리 자체의 수명이 많이 닳은 것이다. 리튬이온 배터리는 극 재료로 사용되는 탄소의 분자 구조가 서서히 변화하면서 탄소와 결합되는 리튬 이온의 양이 매우 서서히 감소하게 된다. 이것은 자연적으로 수명이 닳아지는 것이다.
하지만 이러한 강제적인 충방전 방식은 리튬이온 배터리 자체에 무리를 줄 수도 있다. 앞서 설명했지만 리튬이온 배터리는 갑작스런 방전에 손상이 생길 수 있기 때문이다. 그래서 일부 고급 노트북 PC 등의 하드웨어는 시스템 차원에서 리튬이온 배터리의 완전 충방전을 지원한다. 이렇게 함으로써 배터리와 하드웨어를 더욱 안전하고 오래 사용할 수 있게 된다. 시스템 차원에서 배터리의 충방전 기능을 초기화 해주는 것을 '배터리 캘리브레이션'이라고 하는데, 이것은 배터리의 성능이 조금 떨어졌다고 느껴질 때 한번씩 해주면 된다. 굳이 자주할 필요는 없다.
500회의 충/방전 사이클은 정말로 있는가?
극한의 상황에서 리튬이온 배터리를 많이 사용한다면 6개월 만에 배터리의 수명이다 되었다는 사람들도 있다. 그리고 통상 리튬이온 배터리의 수명은 충방전 사이클 500회 정도로 알려져 있다. 그렇다면 평균적으로 약 2년 정도를 쓸 수 있다는 말인데, 실제로 이러한 충방전 500회의 한계는 있는 것일까?
게임큐브에 사용되는
리튬이온 배터리팩

발라드 파워시스템과 소니 에너지 테크는 리튬이온 배터리의 충방전 사이클에 대해서 이렇게 설명한다. 리튬이온 배터리는 열에 매우 약하기 때문에 온도가 높은 곳에서 사용을 하면 평균 충방전 500회 보다도 더욱 빨리 성능의 저하가 올 수 있다고 경고한다. 리튬이온 배터리의 성능이 감소하는 주된 원인은 극 재료로 사용되는 탄소 분자의 구조가 변하면서 탄소와 결합하는 리튬이온의 양이 줄어들기 때문이다. 그런데 여기에 열이 가해지면 그 변화되는 속도가 가속되기 때문에 성능이 급격히 떨어지는 것이다.
리튬이온 배터리의 충/방전 사이클은 구조적으로 어쩔 수 없이 생기는 수명의 한계인 셈이다. 하지만 사용 온도가 적당하다면 그 수명 기간 동안 성능을 모두 발휘할 수 있고, 온도가 높은 곳에서 사용을 하게 되면 그 수명이 빨리 줄어들게 된다는 것이다.
오랫동안 쓰지 않는 배터리는 충전을 해야 할까?
오랫동안 쓰지 않는 배터리는 충전을 해야 할까? 방전을 해서 보관해야 할까? 리튬이온 배터리는 쓰지 않고 그대로 놓아둔 상태에서 충전 용량이 95% 이하로 내려가게 되면 내부적으로 재충전의 움직임이 생긴다. 하지만 실제로는 전기가 공급되지 않으므로 충전은 이루어지지 않는데 이러한 것을 내부적으로 반복하면 배터리에 좋을 것이 없다.
올림푸스 카메라에
사용되는 배터리 팩

보통 배터리의 제조사들은 오랜 시간 동안 배터리를 사용하지 않는다면 배터리 용량의 50% 정도가 남은 상태에서 시원한 곳에 보관할 것을 권장한다. 보통 새로 노트북 PC를 사거나 했을 때 배터리가 절반 정도 충전돼 있는 것도 이러한 이유이다.
리튬이온 배터리는 다른 방식의 배터리에 비해서 방전되는 비율은 비교적 적다. 하지만 앞서 설명했듯이 리튬이온 배터리에는 마이크로 칩이 들어가기 때문에 이것을 동작하기 위한 최소의 전력이 사용된다. 다행히 마이크로 칩에 사용되는 전력은 극히 적기 때문에 노트북용 배터리라면 1~2년간은 재충전을 하지 않은 채로 놔두어도 배터리의 성능이 급격히 떨어지지는 않는다.
리튬이온 배터리의 이러한 수명에 대한 특징들 때문에 최근에는 리튬이온 배터리의 충전을 80%만 하는 기술에 대한 움직임도 있다. 즉, 실제 충전 용량의 80%만 사용을 하고 나머지 20%는 배터리의 수명 감소 시에 대체하는 역할을 하는 것이다. 이렇게 하면 처음부터 모든 영역을 쓰지는 못하지만 배터리의 수명이 길어지고 실제 사용자들은 이러한 내부적인 방식을 느끼지 못한 채로 배터리의 충/방전 500회를 잊어버릴 수 있게 되는 효과가 있기 때문이다.
리튬이온 배터리는 케이스가 중요
리튬이온 배터리에서 꼭 알아 두어야 할 것은 과충전이다. 리튬이온 배터리는 과충전이 생길 때 배터리에 불이 붙거나 폭발을 할 수 있다. 다행히 리튬이온 배터리 내부에는 마이크로 칩이 들어 있어서 이러한 과충전을 방지해주기 때문에 실제로는 과충전이 생길 수 없다. 하지만, 배터리가 심한 충격에 의해서 케이스가 깨졌다면 얘기가 다르다.
케이스의 손상 정도가 심해서 내부에 있는 셀이 파괴되면, 전해액이 흘러나가고 이것이 원인이 돼 다른 셀을 단락시키게 된다. 이렇게 되면 많은 전류가 흐르게 되고 배터리의 과충전, 오동작 등 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 즉, 배터리의 케이스가 심각하게 깨졌다면, 그 배터리의 사용은 포기하는 것이 현명하다. 불필요하게 리튬이온 배터리를 분해하는 것도 결코 권장하지 않는다.

RC용 리튬폴리머를 사용하면서 나타나는 고객분들의 질문사항을 요약하여 정리하였습니다.
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(질문1) 리튬폴리머를 낱셀 충전하라고 하던데 꼭 그래야 합니까?
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리튬폴리머는 단셀의 전압이 3.7V 입니다.
7.4V, 11.1V, 14.8V와 같이 직렬 연결한 경우 RC에 사용하는 방전전류가 높기 때문에 마이너스 단자에 인접한 셀에서 우선적으로 방전이 일어납니다.
다시말하면 여러셀이 동시에 똑같은 방전을 하지 않는다는 것입니다.
이것은 회로적으로도 설명이 가능한데, 다른 셀을 거치지 않고 연결된 셀은 바깥쪽의 외부부하에만 의존하지만 내부에 들어가 있는 셀은 다른 리튬폴리머 셀을 거쳐서 전기를 방출하므로 거치는 셀의 부하도 받게 되기 때문입니다.
그러므로 어쩔 수 없이 직렬 연결된 셀은 고방전시 각셀의 방전량이 달라져서 전압의 차이가 생기는 것입니다.
그 상태에서 충전할 경우 방전량의 차이 때문에 셀마다 충전시간의 차이가 발생합니다.
그런데 전체전압을 걸고 동시에 충전에 들어가면 이미 완충전 전압인 4.2V에 도달한 것과 아직 도달하지 못하여 4.1V정도에 도달한 셀이 생기고 이때 전체전압은 아직 미충전상태가 되므로 4.2V에 도달한 셀의 과충전이 발생하게 됩니다.
전체 전압을 걸고 완충전상태에 도달하였을 때는 과충전(4.2V초과) 셀과 미충전(4.2V 미만)셀이 조합하여 표면상으로만 완충전으로 인지되게 되는 것입니다.
이렇게 하여 발생하는 문제점은,
첫째 과충전셀은 쉽게 망가지고,
둘째 미충전셀이 발생함에 따라 충전/방전용량이 줄어들게 되며,
셋째 과충전셀의 내부 부하 상승으로 방전율이 저하하게 됩니다.
이러한 현상은 횟수를 거듭할 수록 심해지게 되는데, 반복할 경우 과충전 셀의 용량저하로 그 다음 충전시에는 더 빨리 과충전 셀이 완충상태에 도달하게 되고 더 많이 과충전되게 되며 그에 비해 미충전 셀은 더 낮은 전압을 띄게 됩니다.
몇번 연속하여 진행을 거듭하게 되면 무리를 하게 된 과충전셀은 가스가 발생하여 부풀게 되고 이제 배터리로써의 역할을 접어야 하는 단계에 들어갑니다.
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(질문2) 그럼, 셀가이드를 사용하면 괜찮은가요?
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원래 리튬폴리머는 PCM(Protect Circuit Module)을 사용하여 충방전하여야 합니다.
모든 리튬폴리머에 PCM이 붙어 있으나 유독 RC용 리폴에만 PCM을 부착하지 않습니다.
그 이유는 PCM이 고방전을 막기 때문입니다.
그래서 충전시에만 PCM을 사용하는데 이것이 셀가이드입니다.
셀가이드(PCM 가이드)를 사용하면 단셀(각셀)충전을 동시에 하는 것과 같은 효과를 나타냅니다.
일단 한셀 한셀 충전하면 시간이 오래 걸리지만 셀가이드를 사용하면 동시에 이루어 지므로 시간을 절약할 수 있지요.
셀가이드를 사용하면 과충전은 막을 수 있지만 한가지 문제점이 있는데, 시중에 나와 있는 셀가이드중에는 충전 중인 셀 중에 한 셀이 완충전 상태에 이르면 충전을 스톱시키는 것이 있습니다.
이것은 과충전을 막아 리튬폴리머의 고장을 막을 수는 있지만 먼저 완충상태에 도달한 셀을 제외하고는 모두 미충전샹태에서 충전이 종료된다는 단점이 있습니다.
고장을 방지하면서 성능저하를 감수하는 꼴이되는 것이지요.
제 성능을 내면서 수명을 단축시키지 않는 충전방법은 여전히 각셀 충전방법입니다.
다만 모든 셀을 골고루 완전충전시켜 주는 셀가이드는 제외합니다.
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(질문3) 방전율이 15C라고 표시되어 있는데 실제 15C가 나오지 않는 이유는 무엇입니까?
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제조사에서 15C라 표시하는 것은 한 셀의 연속 방전율을 뜻합니다.
한 셀을 표준상태(상온/상습)에서 외부에 부하를 걸어 연속방전가능한 전류를 측정하고 이를 총방전용량으로 나누어서 계산한 것입니다.
이 때 전압의 강하 속도가 저방전율 때 보다 빠릅니다.
예를들어 2000mAh(15C)의 셀은 2000mAh를 방전할때 30A의 전류를 낼수 있다는 뜻인 것입니다.
그러나 2000mAh의 셀에 1500mAh를 충전하여 놓으면 30A의 방전전류를 기대하기 어렵습니다.
두번째로 직렬 연결한 팩을 예로들면 두개를 직렬연결하여 7.4V를 만들었을때 연결된 셀이 부하로 작용하므로 실제 15C방전율의 셀로 구성되어 있다고 하지만 15C보다 조금 못 미치게 나오는 것입니다.
대개 14C~15C 사이에서 방전이 됩니다.
이것을 좀 더 많이 직렬로 연결하면 그 방전율은 조금씩 더 하락하게 됩니다.
이것을 효율저하라고 합니다.
방전효율의 저하는 직렬연결 뿐아니라 여러가지 환경의 영향을 받습니다.
예를들어 온도, 습도, 연결전선의 저항성분, 콘넥터의 접촉저항 등등이 해당 되겠지요.
이제까지 설명드린 것은 이론적인 부분이고 그보다 실제 더 많이 발생하는 방전율 저하는 셀의 과방전이나 과충전, 과전류충전과 같은 스트레스에 의하여 셀 내에 상승하는 내부부하에 의한 방전율 저하입니다. 이것은 15C가 14.xx C와 같은 효율저하의 정도를 넘어서서 10C~12C이하로 떨어지고 수명에 악영향을 초래합니다.
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(질문4) 연속방전율과 순간방전율과 차이점은 무엇입니까?
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일반적으로 말하는 10C, 12C, 15C... 하는 것은 연속방전율을 뜻합니다.
실제 배터리를 사용하다 보면 비행기의 순간전류가 40A가까이 올라가는데, 이것은 짧은 시간 배터리에서 순간전류가 높게 방전하기 때문이며 콘덴서를 달면 배터리에 무리를 주지 않으면서 높은 순간방전을 기대할 수 있습니다.
순간방전율이라는 것은 10초 이내의 짧은 시간에 뽑아낼 수 있는 최대 전류치 입니다만, 각셀의 순간최대전류를 측정하기가 어렵고 배터리 셀에 무리가 가서 수명을 단축시키므로 메이커에서는 표시하지 않습니다.
연속방전율은 최대로 방전시킬수 있는 전류치를 전체용량으로 나눈 것입니다.
그러나 연속방전을 할 경우 방전용량이 감소하는 것을 알 수 있습니다.
예를들어 2000mAh라고 하면 표준상태에서 0.5C(즉 1A)로 2시간 방전시킬 수 있다는 의미입니다.
계산상으로는 10A(5C)로 방전 할 경우 12분이 걸려야 하지만 실제 시간이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다.
마찬가지로 20A로 방전할 경우에는 6분동안 방전해야 하지만 5분밖에 사용을 못하지요.
다시 말하면 방전율이 높아지면 사용시간이 줄어든다(즉 방전용량의 감소가 일어난다)는 사실을 아셔야 합니다.
이론상으로만 계산해서 비행하다보면 과방전을 초래할 수도 있기 때문입니다.
그래서 고수들이 '80%만 사용하고 비행기를 내려라!'하고 충고하는지도 모릅니다.
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(질문5) 용량을 키우고 싶은데 두개의 팩을 병렬 연결하여 사용해도 될까요?
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간단히 답변드리면 이론적으로 문제 없습니다.
원래 리튬배터리 한셀의 내부를 보면 여러층의 전극이 적층되어 있습니다.
바로 한 셀을 기준으로 보더라도 병렬연결되어 있다는 얘기가 되지요.
그러나 병렬연결에는 전제조건이 있습니다. 우선 병렬연결된 셀들의 용량과 내부저항이 같아야 한다는 것입니다.
용량이 다른 셀을 병렬 연결하면 동일하게 전류를 뽑을 수가 없으므로 한쪽에 치우침이 발생하게 되고 이는 배터리에 무리를 주게 됩니다.
20A를 두개가 나란히 10A씩 내놓는 그림은 그림 상으로만 가능하니까요. 종이를 꺼내 놓고 회로도를 그려 보세요.
병렬연결은 외부에서 부하를 끊더라도 내부에서 두 셀이 연결되어 있습니다.
이는 서로 충방전이 가능하다는 것입니다.
아무런 보호저항 없이 서로 충방전하는 경우 과전류충전이 일어난다는 것이고 이것은 셀 내부의 화학반응을 촉발하여 온도가 상승하게 됩니다.
그러므로 반드시 같은 용량의 셀을 병렬 연결하여 주시기 바라며 절대 완전방전하는 사태가 벌어지지 않도록 관리하셔야 합니다.
두번째로 내부저항이 같아야 한다는 전제조건이 있습니다.
이것은 같은 회사의 동일한 방전율 제품의 경우 내부저항이 거의 비슷하므로 문제 될 것이 없지만 전혀 다른 제품을 연결하는 것은 피하여 주시기 바랍니다.
앞의 내용보다 훨씬 복잡한 문제이므로 자세한 설명은 오히려 혼란을 줄 수 있으므로 이론적 설명은 피하겠습니다.
다만 저항값이 다른 저항을 병렬 연결하면 전류값이 오옴의 법칙에 의하여 차이가 반비례하여 나타남을 아실 것입니다.
리튬배터리에서 고려하여야 할 사항은 발열입니다.
발열은 전류에 의해 발생합니다. 그것은 배터리 폭발로 이어질 수 있습니다.
처음에는 문제없다고 하였다가 전제조건을 말하면서 절대 하지 말라는 식이 되어 버렸네요. ㅎㅎ
알고 하면 별문제 없는데, 모르고 하면 시한폭탄이라는 말인거죠.
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(질문6) 리튬폴리머배터리 사용시 가장 중요한 사항은 무엇입니까?
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과방전시키지 마시고 과충전시키지 마세요.
과방전 방지는 고수분들의 말처럼 1분 덜 날리고 내리는 것입니다.
셀당 전압이 3V이하로 내려가지 않게 하는 것인데, 직렬 연결한 팩의 경우 전체전압이 아니라 각셀의 개별전압이 3V이하로 내려가지 않도록 하여야 하므로 더욱 주의를 요합니다.
예를들어 11.1V의 팩인경우 9V이하로 내려가지 않게 관리하더라도 2.8+3.2+3.2=9.2V이므로 한셀이 3V이하(2.8V)일 수 있습니다.
과충전 방지는 리튬폴리머 전용충전기로 각셀 충전하는 것입니다.
지금까지 설명에서 충전기에 대한 언급을 하지 않았는데, 이것은 기본적인 사항이라 생각하였기 때문입니다.
그리고 충전시에는 1C이하(한 셀의 용량 이하)의 전류로 충전하시기 바랍니다.
이해가 안되는 부분이 있거나 추가 문의가 있으시면 게시판에 문의하여 주시기 바랍니다.
감사합니다.
지에스비 올림
유용한 정보 같아서

[출처] 리튬폴리머 배터리 자료

by celltech | 2007/02/24 00:40 | 외장형배터리팩 | 트랙백 | 덧글(0)

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