리튬-이온 배터리의 충전

이 자료는 인터넷에서 찾은 영문 자료(원문의 링크)를 내가 번역한 것이다.
리튬-이온 배터리를 이해하는 데 도움이 되고 충전에 관한 공부가 되었으면 좋겠다.

리튬-이온 배터리의 충전

배터리를 충전하거나 방전하는 것은 화학적인 반응이나 리튬-이온은 한 예외로 해석된다. 

배터리 과학자들은 에너지가 흘러 들어가고 나오는 것을 양극과 음극에서의 이온의 흐름이라고 말한다. 이 이론은 일리가 있으나 만일 과학자들이 전적으로 맞다면 배터리의 수명은 영원해야 할 것이고 모두가 바라는 바일 것이다.
전문가들은 용량의 저하는 이온이 갇히기 때문이라고 말한다.
간단히 말해서 우리는 시간의 흐름에 따라 부패가 진행되는 것으로 이해하며 이 현상은 모든 배터리 시스템에 적용된다.

리튬-이온 충전은 제어된 전압을 공급하는 장치로서 납산 배터리 충전기와 비슷하다.
그 차이는 셀당 전압이 높다는 것이고 전압의 범위가 정밀하고 만 충전에서 계속(Trickle) 또는 부동 충전이 없다는 것이다. 이에 비하여 납산 배터리 충전기는 충전 종지 전압에 있어 허용 범위가 넓다. 리튬-이온 배터리는 과충전을 허용하지 않기 때문에 메이커에서는 정확한 설정에 매우 예민하다.
소위 말하는 기적(Miracle)의 충전기라는 배터리의 수명을 늘려주고 배터리에 추가적인 용량을 늘려준다는 제품은 있을 수 없다.
리튬-이온 은 청정 시스템이며 흡수 할 수 있는 것만 받아드린다.
어떤 추가적인 것도 도움이 되지 않는다.

대부분의 셀은 셀당 4.2V, 오차는 +/-50mV 범위로 충전 시킨다. 전압이 높으면 용량을 증가 시킬 수 있으나 셀의 산화로 인하여 수명이 짧아질 수 있다.
보다 중요한 것은 4.2V 이상으로 충전 시키면 안전에 영향을 미친다.
그림_1에 리튬-이온 배터리의 충전 시 각 단계별로 전압 및 정전류의 흐름과 보충전 (Topping Charge) 이 표시되어 있다.

그림_1: 리튬-이온 배터리의 충전 상태. 리튬-이온 배터리의 전류가 사전에 설정된 범위까지 떨어지면 만충전으로 간주하거나 2번 단계의 끝에서 충전을 중지 시킨다.
계속(Trickle) 충전의 관점에서 전압이 셀당 4.05V까지 떨어지면 보충전을 한다. (Cadex 제공)

일반적인 리튬-이온 배터리의 충전율은 1번 단계에서 0.5C 내지 1C로 약 3시간 정도 된다.
18650 셀의 경우 제조사에서는 0.8C 또는 그 이하로 충전할 것을 권장한다.
충전 효율은 97 내지 99%이고 충전 기간 동안 셀은 열을 받지 않는다.
어떤 리튬-이온 팩은 만충전이 될 때 약 5^o C 정도의 온도가 상승되기도 한다.
이것은 보호 회로 때문이거나 내부 저항이 증가하기 때문이다.
만충전이 되면 배터리의 전압은 최고 상태로 계속 유지되고 전류는 용량의 3%까지 떨어진다.
또한 충전 전류가 완전히 0이 되고 더 진행이 되지 않으면 만충전이라고 인식한다.
이 상태에서는 상승된 자기 방전이 발생한다.

전류를 증가 시켜도 만충전까지의 시간을 그리 많이 단축 시키지는 못한다.
오히려 급속 충전으로 최고 전압까지 상승이 빨리되고 포화 충전은 상대적으로 시간이 더 걸리게 된다.
변화된 충전 전류의 크기는 각 단계의 필요 시간을 변화 시킬 뿐이다.
1번 단계에 필요한 시간은 짧으나 포화 충전이 일어나는 2번 단계는 시간이 더 걸린다.
높은 전류로 충전 시키면 배터리 용량의 약 70%까지는 빨리 충전 시킬 수 있다.

리튬-이온은 납산 배터리 처름 완전히 충전 시킬 필요가 없으며 바람직 하지도 않다.
실제로 고전압은 배터리에는 하나의 충격으로 작용하기 때문에 만충전을 시키지 않는 것이 좋을 수도 있다.
포화 충전 전압을 낮게 하거나 포화 충전을 시키지 않으면 배터리의 수명을 늘릴 수 있으나 사용 시간은 짧아진다.
소비자 시장에서는 최대의 사용 시간을 선호하기 때문에 수명 보다는 최대의 용량에 맞추어 충전을 하게 된다.

일부 저가형 충전기는 간편 방식의 “즉시 충전-즉시 사용” 방식을 채용하여 2번 단계의 포화 충전까지 가기 전에 1시간 또는 그 이하의 시간에 충전을 하기도 한다.
1번 단계의 전압 상승 시점에 도달하면 “충전 완료” 표시가 된다.
이러한 “대단한”(State-of-art) 충전은 약 85%만 충전된 것이다.
사용자는 충전기가 잘못된 줄을 모르고 사용 시간이 짧다고 불평할 수 있다.
이런 이유로 많은 배터리가 하자 보증 기한 내에 교환되며 이런 현상은 휴대폰 산업에서는 통상적인 현상이다.

만충전을 하지 않으면 혜택이 있어 어떤 제조자는 일부러 배터리의 수명을 늘리기 위헤서 충전 종지 전압을 낮추어 설정한다.
표_2에 포화 충전을 하거나 하지 않는 여러가지 다른 충전 종지 전압에 따른 예측된 용량의 관계를 표시하였다.

참고 사항: 여기에서 사용된 "C"라는 용어에 대하여 의문을 제기한 분이 있었는 데 "C"는 "Capacity"를 의미하고 "Ah"로 표시된 배터리의 용량값을 말한다.

 

표_2: 리튬-이온 배터리의 일반적 충전 특성
설정된 전압에서 포화 충전을 하면 약 10%의 용량이 증가하나 또한 고전압으로 인한 충격이 발생한다.

처음 배터리가 충전을 시작하면 전압은 빨리 올라간다.
이것은 고무줄에 추를 달아서 당기는 것과 비교할 수 있다.
당기는 데에 따라 추는 당기는 만큼 빨리 올라가지는 않고 추는 뒤처지게 된다.
충전되는 배터리의 전압은 배터리가 거의 충전이 완료된 시점에서 전압을 따라 잡는다.
그림_3에서 배터리의 충전 특성을 볼 수 있다.

그림_3: 리튬-이온 배터리의 충전에 따른 전압, 용량의 변화: 전압의 변화에 따른 용량의 변화는 고무줄에 추를 달아서 당기는 것과 같다(Cadex 제공).

폐쇄회로 전압은 가용 용량의 추정에 신뢰성이 있으나 충전중에 읽기가 불가능하다.
충전 상태를 예측하기 위하여 배터리를 수시간 방치한 뒤에 개방 회로 전압을 측정하였다.
방치 시간은 배터리가 충전 작용 후 회복을 할 수 있게한다.
배터리 또한 주위 온도가 전압에 영향을 미친다.

"How to Measure State-of-Charge"를 침조할 것.

리튬-이온은 과충전을 흡수할 수 없기 때문에 만충전이 되면 충전 전류는 차단 되어야 한다.
Trickle 충전이 계속되면 금속 리튬이 도금이 되고 안전을 위협한다.
충격을 완화하기 위하여 리튬-이온 배터리는 셀당 4.2/V의 최대 전압에 가능한한 오래 두지 말아야 한다.
충전이 완료되면 배터리 전압은 떨어지기 시작하고 이것은 충격이 끝난 것을 의미한다.
시간을 두고 개방 단자 전압은 3.6~3.9V를 유지할 것이다. 완전히 포화 충전이 된 배터리는 급속 충전 후 포화 충전을 하지않고 종지 전압에서 충전을 중단한 배터리에 비하여 높은 전압을 유지하는 시간이 길다.

만일 리튬-이온 배터리가 작동 대기 상태로 충전기에 대기하는 경우 어떤 충전기는 배터리의 자기 방전과 보호 회로가 소비하는 전기를 보상하기 위해서 잠깐식의 보충전을 하기도 한다.
충전기는 개방 단자 전압이 셀당 4.0V가 되면 충전을 시작하여 4.2V가 되면 중단하는 것을 반복한다.
어떤 것은 단자 전압이 4.0V일 때 시작하여 4.2V까지 가지않고 4.05V에서 중단하는 것도 있다.
이리하여 전압으로 인한 충격을 최소화 하여 배터리의 수명을 연장하는 것이다.

어떤 휴대식 장치는 충전 크레들의 ON 위치에서 충전이 되도록 되어 있다. 
장치에서 전류를 소비하는 것을 Parasitic 부하라고 하는 데 충전 싸이클을 왜곡시킬 수 있다.
배터리 업체에서는 충전 중에 연결된 Parasitic 부하에 대하여 부정적인 데 이는 작은 충전 싸이클을 유도하기 때문이다.
그러나 이 현상은 항상 피할 수 있는 것이 아니다.
충전기에 항상 달려있는 노트북 PC가 이런 경우인 데 셀당 4.2V에서 재 충전 싸이클이 발생하기 때문에 배터리가 받는 충격은 상당히 높다.

이동식 장치는 충전 중에 끄야 한다. 이리하여 배터리가 방해를 받지않고 최고 전압까지 올라가서 저 전류로 충전이 완료될 수 있다.
Parasitic 부하는 배터리 전압을 끌어내리게 되고 포화 충전 상태에서 전류값이 낮아질 수 없도록 한다.
배터리를 만 충전까지 하는 것은 문제가 없으나 더 이상 계속 충전을 하지 않아야 한다.
이로서 배터리는 충격에서 벗어나고 안전을 보장할 수 있다.

배터리 전문가들은 전압을 까다롭게 맞추어야 하는 것을 제외하면 리튬-이온 배터리는 닉켈-카드늄 배터리에 비하여 충전 회로가 비교적 간단하고 쉽다고 한다.
전압을 제한하고 저 전류 신호를 감지하여 “왼료” 표시를 하는 것은 사용 시간이 증가함에 따라 변화하는 복잡한 신호를 분석하는 것 보다는 쉽다고 한다.
리튬-이온 배터리의 충전 전류는 조금 덜 까다롭고 허용 범위가 넓다.
재생 가능한 에너지인 태양 전지나 풍력 발전으로도 충전이 가능하고 충전 초기 및 중기의 충전 전류의 흡수도 매우 높으며 단지 충전 시간이 조금 길 뿐이며 배터리에 발생하는 부정적인 현상도 없다.
연속 충전(Trickle charge)이 없다는 것은 충전을 간단하게 한다.

이튬-이온의 과충전

리튬-이온은 설정된 작동 전압에서 안전하게 작동한다.
그러나 부주의한 충전으로 정격 전압보다 높게 충전된 배터리는 안정적이지 않다.
4.30V 이상의 과 충전은 양극에 리튬 금속이 도금이 되며 음극은 산화가 되면서 안정성을 잃고 탄산가스를 발생한다.
셀의 압력이 증가하는 데 계속 충전을 할 경우 안전을 위하여 전류 제한 회로가 1,280kPa(2000psi)에서 전류를 차단한다.

만일 압력이 계속 증가하면 안전막이 3,450kPa(5000psi)에서 터지면서 셀은 화염을 내뿜게 된다.
배터리가 만충전이 되면 열 폭주는 낮아지는 데 리튬-코발트는 130~150^oC, 닉켈-망간-코발트(NMC)는 170~180 ^oC, 망간은 250 ^oC, 리튬-인은 망간과 비슷하거나 보다 좋은 온도 특성을 보인다.

과 충전이 되었을 때 위험한 것은 리튬-이온만 그런 것도 아니다.
납이나 닉켈 기반의 배터리 또한 잘못 취급 되었을 때 녹아 내리거나 불이 붙는다.
닉켈 기반의 배터리가 안전상의 이유로 Recall 조치 되기도 한다.
적절히 설계된 충전 장치는 모든 배터리 시스템에서 가장 중요하다.

리튬-이온의 과방전

리튬-이온은 절대로 과방전 시키면 않되며 이를 방지하기 위한 여러가지 안전 장치가 있다. 배터리가 셀당 약 3.0V가 되면 방전을 중지하고 전류가 차단된다. 계속 방전이 되어 셀당 약 2.7V 또는 그 이하가 되면 배터리의 보호 회로가 작동되어 배터리는 잠자는(Sleep) 상태가 된다. 이렇게 되면 그 팩은 사용이 불가능하고 대부분의 보통 충전기로는 충전이 불가능하다.
배터리가 잠자는 상태로 되지 않게 하기 위해서 배터리를 장기간의 보관하기 전에 부분 충전을 시켜야 한다.

배터리 메이커에서는 배터리를 약 40% 충전하여 출하한다.
저 충전 상태기 때문에 경년 변화에 따른 충격이 줄고 보관 기간 동안의 약간의 자기 방전을 감안한 것이다.
배터리가 판매 되기 이전까지 방전을 최소로 하기 위하여 좀더 발전된 리튬 팩은 최초의 충전 또는 방전 전까지 보호 회로가 Sleep 모드로 작동하도록 한다. 한번 작동을 시키면 배터리는 작동 모드에 돌입하여 다시는 대기 모드로 돌아갈 수 없게 된다.

1주일 이상 셀의 전압이 1.5V 또는 그 이하에서 있을 경우 재 충전을 시키면 않된다.
셀 내부에 구리로된 회로가 형성되어 전기적으로 부분적 또는 완전 쇼트 상태를 만든 것 일 수 있다.
만일 재 충전을 시키면 셀은 불안정하게 되고 과열 또는 다른 이상 증세를 보일 수 있다.
충격을 받는 팩은 진동, 낙하, 가열 같은 기계적 충격에 더욱 예민하다.

리튬-이온 포리머의 충전

리튬-이온 포리머 또는 리튬-포리머는 보통의 리튬-이온 배터리와 매우 비슷하며 작동 원리는 다르지 않다.
대부분의 사용자 들은 리튬-이온 인지 리튬-포리머 인지도 구분하지 못한다.
“포리머”라는 말은 상업적인 개념에서 시작된 말이며 어떤 배터리가 표준 리튬-이온 배터리와는 다른 방법으로 만들어 졌다는 그 이상의 의미를 가지고 있지 않다.

대부분의 포리머는 리튬-이온과 리튬-포리머의 복합적인 구조에 기반을 둔 것이다.
포리머 계열에는 많은 변종이 있으며 사용자를 위한 진정한 의미의 건조 포리머 배터리는 수년은 더 있어야 시판될 것이다.
또한 2000년 초기에 “플라스틱 배터리”라고 발표한 시스템은 상온에서 응용 장치에 필요한 도전성을 얻지 못하였다.

더 자세한 것은 Lithium-polymer battery 또는 Pouch Cell 을 읽어 보기 바란다.

간단한 리튬 계열의 배터리 충전의 안내

• 이동식 장치는 충전 중에 끄야 한다. 이리하여 배터리가 방해를 받지않고 최고 전압까지 올라가서 저 전류로 충전이 완료될 수 있다. Parasitic 부하는 충전기를 혼란스럽게 한다.
• 적당한 온도에서 충전할 것. 추운 곳에서는 충전을 하지 말 것.
• 리튬-이온은 만충전을 할 필요가 없다. 보충전이 좋다.
• 충전기에 따라 “완료” 표시 방법이 다르다. “완료” 표시가 항상 만충전을 의미하는 것은 아니다.
• 충전 중에 배터리나 충전기가 매우 뜨거워 지면 즉시 충전을 중단할 것.
• 장기간의 보관을 시작하기 전에 중간 정도의 충전을 시켜라.
• 과방전 된 배터리도 살려서(Boost) 사용할 수 있다. 1분간의 Boosting으로도 배터리의 전압이 정상 레벨로 회복되지 않으면 폐기하라.