리튬 이온 배터리의 특징
리튬 이온 배터리(Li-ion battery)는 이차(재충전 가능한) 배터리의 한 종류로, 리튬 이온이 방전 시 음극에서 전해질을 통해 양극으로 이동하고 충전 시 다시 음극으로 이동하는 셀로 구성됩니다. 리튬 이온 배터리는 고전압, 고에너지 밀도, 메모리 효과가 없는 것이 주요 장점입니다. 이 배터리들은 노트북 컴퓨터, 무선 전동 공구, 일부 전기 자동차, 전기 킥보드, 대부분의 전기 자전거, 휴대용 파워 뱅크, LED 손전등 등 다양한 제품에 사용됩니다.
구성과 화학 반응
양극은 리튬 화합물(삽입된 리튬 화합물)로 만들어지며, 리튬 이온 배터리 셀의 이름을 정의합니다. 음극은 주로 다공성 리튬화 그래파이트로 만들어집니다. 전해질은 액체, 고분자 또는 고체일 수 있으며, 분리막은 리튬 이온의 이동을 가능하게 하고 셀의 단락 및 열적 폭주를 방지합니다. 리튬 이온 배터리의 화학, 성능, 비용, 안전 특성은 배터리 종류에 따라 다릅니다.
휴대용 전자 기기에는 주로 리튬 폴리머 배터리가 사용되며, 이는 고분자 겔을 전해질로 사용하고 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2) 양극 재료 및 그래파이트 음극을 사용하여 고에너지 밀도를 제공합니다. 일반적으로 리튬 이온 배터리의 명목 전압은 3.7V입니다. 한편, 일차 리튬 배터리(예: 리튬 버튼 셀 CR2032 3V)와 이차 리튬 이온 또는 리튬 폴리머(재충전 가능한 배터리)를 구별해야 합니다.
주요 특성과 성능
셀 전압
전기 배터리의 전압은 전기화학 반응에서 긍정 및 부정 전극 재료의 잠재적 차이에 의해 생성됩니다. 거의 모든 리튬 이온 배터리는 3.8볼트에서 작동합니다. 충전기에서 배터리로 전류를 흐르게 하려면 전위차가 있어야 합니다. 따라서 거의 모든 스마트폰에 대한 배터리 충전기나 USB는 5V의 전압을 제공합니다.
컷오프 전압
컷오프 전압은 허용되는 최소 전압입니다. 이 전압은 일반적으로 배터리의 “비어 있는” 상태를 정의합니다. 리튬 이온 배터리의 컷오프 전압은 약 3.2V로 더 높습니다. 그 명목 전압은 3.6V에서 3.8V 사이이며, 최대 충전 전압은 4V에서 4.2V까지 가능합니다. 리튬 이온은 3V 이하로 방전될 수 있지만, 3.3V에서 방전 시 (실온에서) 약 92-98%의 용량을 사용합니다. 리튬 이온 배터리의 경우 특히 중요한 점은 3.2V 이하로 전압이 떨어지면 셀 내 화학적 불안정을 초래하여 배터리 수명이 단축될 수 있다는 것입니다.
용량
쿨롱 용량은 배터리가 특정 방전 전류로 100% SOC에서 컷오프 전압까지 방전될 때 사용할 수 있는 총 암페어 시간입니다. 리튬 이온 18650 배터리의 용량은 일반적으로 2,300mAh에서 3,600mAh 사이입니다.
C-레이트
C-레이트는 배터리가 최대 용량에 비해 얼마나 빨리 방전되거나 충전되는지를 나타내는 데 사용됩니다. 단위는 h-1입니다. 1C 레이트는 방전 전류가 1시간 안에 전체 배터리를 방전시킨다는 것을 의미합니다. 대부분의 리튬 이온 배터리는 최대 60°C의 온도만 견딜 수 있으며, 최대 0.5C의 충전 속도로 45°C 이하에서 충전하는 것이 권장됩니다. 18650 배터리의 C 등급은 보통 1C로, 배터리에서 최대 2.85A를 소비할 수 있습니다.
자체 방전
배터리는 연결되어 있지 않고 전류를 공급하지 않아도 점차 자체 방전됩니다. 이것은 부하가 적용되지 않았을 때 셀 내에서 발생하는 비전류 생성 “부작용” 화학 반응 때문입니다. 리튬 이온 충전식 배터리의 자체 방전률은 일반적으로 제조업체에 의해 월 1.5-2%로 명시됩니다. 이 비율은 온도와 충전 상태에 따라 증가합니다.
퇴화
재충전 가능한 배터리는 각 충전-방전 주기에서 일부 퇴화가 발생합니다. 퇴화는 주로 전해질이 전극에서 이동하거나 활성 물질이 전극에서 분리될 때 발생합니다. 현대적인 18650 리튬 이온 배터리의 경우 일반적으로 300-500회의 충전, 방전 주기를 가집니다. LFP 배터리는 조건에 따라 2,700회에서 10,000회 이상의 주기 수명을 제공합니다.
방전 깊이
