전지는 내부에 화학물질을 다량 함유하고 있기 때문에 오랫동안 사용하지 않고 방치해 두면 전지의 성능이 저하되는 경우가 있습니다. 이러한 현상을 자가방전(self-discharge) 이라고 합니다.
자가 방전에 의해 과방전되어 전지의 성능저하와 수명단축을 가져오게 될 수도 있습니다. 기존의 휴대 기기에 가장 많이 사용되는 리튬 이온 전지는 Ni/Cd나 NiMH, 납축전지과 같은 저가의 전지에 비해 자기 방전율이 매우 낮은 편입니다.
예를들면, NiMH는 15%/월인데 반해 리튬이온전지의 경우 (+.-)전극을 구성하는 활물질에 따라 차이가 나지만 약 3~5%/월로서 매우 우수한 장기방치특성을 지니고 있습니다. 따라서 오래 사용하지 않고 방치해 둔다면 위에 언급된 전지들 중 리튬이온 전지가 가장 영향을 적게 받을 것으로 판단할 수 있습니다. 그리고 장기간 사용하지않고 방치해야만 한다면 방전상태에서 보다는 충전상태에서 보관을 하는 것이 좋습니다. 그래야 몇달이 지나도 과방전되어 전지에 치명적인 손상을 주는 일이 일어날 확률이 낮아지기 때문입니다.
리튬 이온 전지는 같은 용량의 니카드 혹은 니켈수소 전지에 비해 무게가 절반에 지나지 않습니다. 또한 부피도 니카드 전지에 비해 40~50%, 니켈수소 전지에 비해서도 20~30% 작습니다. 구체적으로 살펴보면 같은 체적에서 니카드의 1.75배, 같은 무게에서는 2배이상 에너지 밀도가 높습니다.
에너지밀도의 산출방법은 다음과 같습니다.
Wh = V(전압) x I(전류) x T(시간)
여기서 I(전류) x T(시간)는 전지의 용량을 나타내는 Ah의 계산식이기도 합니다. 따라서
Wh=Ah(용량) x V(전압) 의 식이 산출 됩니다.
체적당 에너지 밀도는 전지 체적으로 나눠준 값을 말합니다.
예를 들어, 저희 제품 PC043456의 에너지 밀도 계산식을 살펴보도록 하겠습니다.
먼저 PC043456의 스펙은 전압 3.7V, 용량 900mAh, 4.8x34.0x56.0(TxWxL;mm)이므로,
(Wh/L)= {mAh x V/전지체적(두께x가로x세로)}x1000
{900x3.7/(4.8x34.0x56.0)}x1000= 364
리튬 이온 전지는 정전류/정전압(CC/CV) 방식의 전용 충전기를 이용합니다. 따라서, 충전전류 일정량을 계속 가해주면서 단자전압을 계속 검사합니다. 4.2V의 전압으로 볼트가 상승하면 이때부터 정전압 회로가 구동되어 4.2V로 유지합니다. 이렇게 하여 보통 1~2시간 안에 완전하게 충전할 수 있으며 충전시 적정 온도는 0~40oC입니다.
2차전지로 가능한 충전 횟수는 300 ~ 500회 이며 매일 1번 충,방전 할 경우 1년 ~ 1.5년의 배터리 수명을 갖게 됩니다.
한마디로 "전지" 라고 말해도, 실제는 많은 종류가 있습니다. 크게 나누면, 화학 반응을 이용한 화학 전지와 물리 작용을 이용한 물리 전지입니다. 우리들의 생활에 밀접한 것은 화학 전지입니다만, 1회 사용 타입의 일차전지, 충전해 반복해 사용할 수 있는 이차 전지, 미래 전지로 기대되는 연료 전지로 나누어집니다.
대표적인 이차전지로는 NiCd, NiMH, Li-Ion, Li Polymer전지 등이 있습니다. 각각의 구성 및 특성을 표로 살펴보게습니다.
리튬 이온 전지의 셀 당 충전전압이 4.5V를 넘을 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되거나, 셀 간의 압력이 높아지게 됩니다. 그로 인해, 셀에서 전해질이 누출하게 되거나 폭발의 위험성이 있게 됩니다. 배터리를 과방전 시킬 경우 마찬가지로 음극이 파손되어 배터리의 성능이 저하되기도 합니다. 따라서 리튬 이온 전지는 다음의 기능을 지닌 보호회로가 반드시 필요합니다.
▶과충전 방지 : 전압이 4.35V±0.05V(약 25℃)이상이 될 경우 과충전 방지
▶과방전 방지 : 단셀의 전압이 2.3V±0.15V이거나 이하일 경우 과방전 방지
▶과방전 전류 방지 : 3C㎃ 또는 그 이상의 전류에서 과방전 방지, Short 되면서 자동적으로 과방전 방지 회로가 자동적으로 작동
Ni-계 전지에서 나타나는 현상으로 고객들이 전지의 원리를 잘 모르는 상태에서 사용하였을 경우, 전지의 사용 수명이 상당히 단축되는 것을 말한다. shallow charge-discharge 즉, 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰고 또 충전하고 하게 되면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이와 같이 전지가 마치 사용할 수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모리효과라고 합니다.
따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법입니다. 하지만 완충완방에 신경쓰다 보면 배터리 전압이 너무 떨어져서 아예 배터리 자체를 날려버리는 사고가 발생하기도 합니다.
그러나 리튬 이온 전지는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않습니다. 오히려 조금쓰고 충전하고 조금 쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과가 있습니다.
이러한 이유때문에 리튬 이온 전지가 Ni-계 전지보다 훨씬 비싼데도 더 수요가 늘어나고 사용자가 찾게 되는 것 입니다.
1. 이론적인 폴리머 전지 (Lithium-ion Polymer Battery)
(1) 내부 – 겔(Gel, 반 고체상태) 형태의 폴리머 전해액/분리막 : 높은 안전성, 신뢰성
(2) 외부 – 파우치(Pouch, 알루미늄 Laminated Film) 외장 케이스 : 박형화, 경량화
2. 현재 시장에서 채용되고 있는 모든 폴리머 전지
(1) 엄밀한 의미의 이론적인 폴리머 전지가 아님
: 일본에서는 폴리머 전지가 아니므로 ALB, NCB 등의 이름으로 불려짐
(2) 이론 폴리머 전지와의 유일한 공통점 : 외부 구조인 파우치 외장 케이스
(3) 내부는 금속 외장 케이스를 사용하는 리튬이온 전지(Lithium-ion Battery)와 완전히 동일한 재료 사용 (액체 전해액, 다공성 분리막 등)
3. 전지 외부 구조의 견고함
(1) 폴리머 전지는 파우치 외장 케이스를 사용함으로써 큰 장점과 동시에 단점을 제공
(2) 폴리머 전지는 외부 구조가 약하다는 단점이 존재하므로 날카롭거나 강한 물체나 힘에 의해 손상을 입기 쉬움
(3) 한국파워셀의 Powerdisc™ 전지는 초소형임과 동시에, 금속 외장 케이스를 통한 견고한 외부 구조를 보유함으로써 신뢰성 및 안전성 면에서 많은 장점을 제공
요즘 리튬 이온 전지에 쓰는 양극은 전이금속산화물(transition metal oxide)이고, 음극은 흑연(graphite)계 탄소(carbon)입니다. 기존의 전지들과 다른 점은 양극과 음극에서 일어나는 반응이 인터칼레이션(intercalation)이란 것입니다. 사전을 찾아보면, intercalate 를 윤달이라고 해석해 놓았습니다. 즉 꽉 짜여진 곳에 뭔가가 끼여들어가는 것이죠. 결정성을 가지는 재료들은 대부분 원자나 이온들 사이에 많은 공간들이 있습니다. 마치 구슬을 컵에 가득 담으면, 구슬들 사이에 공간이 생기는 것 처럼 되는 것이죠. 인터칼레이션이란 이 공간으로 이온들이 들어가는 것입니다. 이렇게 이온들이 결정 내로 들어가면, 결정의 전자구조도 바뀌게 되어 외부도선을 따라 전자가 들어갑니다. 이 반대과정이 디인터칼레이션(deintercalation)인데, 이온이 결정에서 빠져 나오고, 전자는 외부도선을 따라 빠져나옵니다. 이런과정이 연속적으로 일어나면, 외부도선을 따라 일어나는 전자의 흐름을 이용하여 전기에너지를 만들 수 있습니다.
Charge: 충전시에는 양극의 Li 이온이 빠져나와 음극인 탄소층으로 이동하여 저장됩니다.
Discharge: 방전시에는 탄소층에 저장된 Li 이온이 다시 양극 층으로 되돌아 갑니다.
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