리튬이온 배터리 특성 및 오래쓰는 방법 정리 (Lithium-ion battery characteristic)
리튬이온 배터리 특성 및 오래쓰는 방법 정리
(Lithium-ion battery characteristic)
기본 특성
우선 Lithium-ion battery의 특성에 대해서 간단히 알아보자.
Nickel-cadmiu과 다르게 memory effect가 없다.
언제든지 충전해도 상관 없다. 정말 그런것일까? 논문과 책을 통해서 검증 해보자.
리튬이온 배터리의 수명은 300~500회 충방전 사이클이라고 한다.
그 이상이되면 기존 용량대비 40% 정도를 잃어버리고 업계에서는 그 지점을 폐기해야할 배터리 시점으로 본다.
하지만 이 충방전 사이클이라는 것을 정확히 정의하기란 쉽지 않다. 왜냐면 일상생활에서의 충방전의 깊이는 모두 다르기 때문이다.
즉, 10%쓰고 충전한 것을 1사이클로 볼 것인가? 아니면 100%까지 다 쓰고 충전한 것을 1 사이클로 볼 것인가?
대부분 100%까지 다쓰고 충전한것을 충방전 사이클로 본다. 정확하지 않겠지만 10%씩 10번 충방전하면 1번의 충방전 사이클로 다룬다.
그렇다면, 어느 정도 까지 쓰고 충전해야 좋은 것일까? 그 부분에 대해서도 데이터를 가지고 확실히 다루겠다.
Lithum-ion의 분명한 단점은 아래와 같다.
폭발 위험이 크다. 그나마 요즘은 구멍이 좀 생겨도 터지지는 않는다. 하지만 구멍난 상태에서 전원을 인가하면 화제가 발생한다.
사용하지 않아도 노화가 발생한다[1]. 따라서 배터리 구입할 때 제조년과 월을 꼭 확인하자. 새제품이라고 하여도 오래된것은 노화된 것이다.
출력이 방전 패턴과 온도와 같은 물리적 요소에 많이 의존적이다[1].
노화를 발생시키는 요소는 크게 4가지이다.
T: Temperature
DCR: Discharge Current Rate
CV: Charge Voltage
DOD: Depth of Discharge
결국.
$$CycleLife (ShelfLife) = F(T, DCR, CV, DOD)$$
라는 공식이 나오게 된다.
아래글을 간단히 요약해서 리튬이온 배터리 특성에 맞춘 적절한 사용 방법은 아래와 같다.
1) 조금만 쓰고 바로바로 충전해라. 깊게 쓰고 충전하는것은 안좋다.
2) 온도에 매우 민감하니 20~30도 사이에서 쓰는것이 적당하다.
3) 방전률이 높으면 안좋으니, 갑자기 스마트폰을 full 가동 시키는것은 좋지않다.
4) 방전을 요동치며 하면 좋지 않으니, 가급적 일정하게 사용해라.
5) 100% 충전된 상태에서 스마트폰을 충전기에 꽂고 있어도 대기전력 낭비 이외에는 큰 문제는 없다.
6) 스마트폰을 충전기에 꽂고 쓰는 상태가 배터리 노화 예방에 더 좋다.
7) 리튬이온 배터리는 쓰지 않아도 노화가 발생하니, 아끼지말고 쓰자.
방전 사이클당 리튬이온 배터리의 노화정도[2]
11개의 Li-polymer 배터리 1500mAh의 배터리에 대해서 실험했다.
실험과정
1) 1C/4.2v로 풀충전
2) 0.05C로 포화 충전
3) 1C/3.0V로 방전하며, Depth of Discharge(DoD)는 100% 이다.
4) 위 과정을 반복 했다.
관찰점
방전 사이클이 0인 지점에도 Cadex C7400 배터리 분석기로 분석한 결과 초기 Capacity는 88~94%를 가지는 것을 알 수 있다. 100%가 아니다.
그리고 이것이 250번 사이클 반복할 경우 73~84%까지 용량이 줄어듬을 알 수 있다.
DOD 100%가 아닌, 좀더 낮은 DoD를 수행할 경우 배터리 수명(shelf life)는 늘어 난다.
DOD의 영향은 아래에서 더 자세히 다루겠다.
온도와 방전 전압에 따른 노화 정도 분석[1,2]
아래 그림과 같이 온도가 20도이고 방전 전압이 4.1v 일때가 기간에 따른 노화정도가 가장 적었다.
즉, Li-ion은 좀 더 낮은 전압과 온도에서 사용성이 좋은것을 알 수 있다.
각각의 온도에서 방치했을 경우, capacity loss가 아래와 같이 발생 한다.
즉 배터리가 높은 온도에 있는 상태에서 충방전을 장시간 반복할경우 기본적인 충방전일때 보다 스트레스를 더 많이 받아서 노화가 심하게 잃어 나게 된다.
방전 전류량(C-rate) 및 패턴에 따른 노화 (Discharge Current Rate)[3,4]
xOver-discharge를 허용하지 않는다.
모두 충전했다가 방전하는 것을 Discharge/Charge cycle이라 한다.
제조사는 80%만 방전하고 20%는 남겨 놓는 것을 선호 하나.
There are no standard definitions to define what constitutes a discharge cycle.
Smart battery에서는 70% 이상의 DOD 만을 cycle count로 고려한다.
아래의 그래프와 같이, 2C로 땡기면 3.2Ah 중에서 2.3Ah만 사용이 가능하게 된다.
아래의 그래프는 journal of power source[4]에서 인용한 것이다.
다음 실험은 일정한 방전과 pulsed 방전과의 관계를 따져본 실험이다.
충전 전압과 노화와의 관계 (charge voltage)[1,4]
아래 그래프는 방전 cycle에 따른 노화정도를 나타낸것이다.
같은 전압과 전류로 같은 횟수 만큼 방전을 수행해도
더 높은 전압으로 충전할경우 노화가 빨리 진행 되는 것을 알 수 있다.
아래와 같이 충전 전압을 서로 다르게 했을 때의 충방전 사이클의 감소를 볼 수 있다.
충전 전압이 높을 경우 더 적은 수의 충방전 사이클로도 노화의 기준인 70% 용량에 도달하는 것을 알 수 있다.
재미있는 사실은 고전압일 수록 용량 충전률이 높은것을 알 수 있다.
저전압이면 수명은 늘어나지만, 완전 충전이 안되는 것을 알 수 있다.
충방전 사이클에 따른 용량 감소를 그래프로 표기한 것이다. 해당 그래프는 journal of Power Source 논문에서 인용된 것이다[4].
결국 충전 전압은 노화에 매우 중요한 요소이며, 안전성에도 매우 중요한 요인이다.
따라서 배터리 팩에는 반드시 관전압 방지 MOSFET이 들어 있다.
스마트폰 같은경우 TI나 Qualcomm사에서 PMIC 칩을 만들어서 스마트폰에서 과전압을 방지한다. 거의 나노레벨에서 차단이 된다고 하니 걱정은 없다.
스마트폰과 같이 배터리가 상대적으로 저렴하고 교체가 용이한 장치는 고전압으로 충전해서 용량을 100%까지 맞춘다.
하지만, Satellite(인공위성) 그리고 전기 자동차의 경우 longevity가 훨씬 더 중요하다. 따라서 완전 충전은 못하더라도 수명을 늘릴수 있는 저전압으로 충전을 수행하게 된다.
충전 전류와 노화외의 관계 [4]
충전 전류를 서로 다르게 했을 때의 노화 정도를 나타낸 것이다.
1C의 의미는 1시간동안 100% 방전 했다는 의미 이다.
방전 깊이와 노화와의 관계 (Depth of Discharge)[1]
최대한 깊이 방전하는 것을 피하는것이 절대적으로 배터리 노화를 막는다.
아래 실험은 서로 다른 DoD 레벨로 수행한 실험이다.
서로 다른 DoD 레벨로 방전을 시키고
어느 정도 충방전 사이클을 반복해야 용량이 70%에 도달하는지를 조사 했다.
충전 전압, 온도, 방전 전류의 양은 모두 평균적으로 같게 만들었다.
실험 결과대로 DoD가 낮으면 낮을 수록 새배터리 용량 대비 70%까지의 Capacity에 도달하게 하는
충방전 사이클이 커지는것을 알 수 있다.
따라서,100%DoD는 오로지 소프트웨어적인 배터리 잔존 용량 예측 향상을 위한 Calibration을 위해서만 수행한다.
즉, 더 정확한 배터리 눈끔을 보장하기 위함이다. 한달에 1번 정도면 충분하다.
그외에는 Partial discharge가 배터리 수명 연장을 위해서 절대적으로 좋다.
충전 깊이와 노화와의 관계 (Shallow Charge)[5]
결론 부터 말하면, 살짝 살짝 충전한다고해서 급격하게 Capacity Degradation이 발생하지 않는다.
약간의 구조상의 전기적 변화가 있겠지만, 이러한 문제는 거의 미미 하다고 할 수 있다.
찔금 찔금 충전해도 상관 없다는 말이 되겠다.
구지 매번 풀 차징을 하지 않아도 된다.
기타
과충전의 위험
일단 거의 없다.
TI 사의 PMIC 칩 Datasheet 설명에 따르면 75nA로 차단된다고 한다.
보호회로가 이중으로 되어있는 스마트폰의 경우 완충되도 충전기를 꽂는 다고해서 문제될것은 없다.
대기전력 문제
이부분은 확실히 있다.
스마트 플러그와같이 완전 대기전력 차단 플러그를 사용하지 않는 이상 대기전력을 발생한다.
로렌스 버클리 랩에 의하면 대기전력을 충전중 전력 소모의 60%를 차지 한다고 한다. 무시못할 양이다.
하지만 이쪽도 연구가 오래 진행 되었으니 조사하면 답은 분명히 엄청 많을 것이다.
참고 문헌
[1] Battery Power Management for Portable Devices, Yevgen Barsukov, Jinrong Qian, BOOK.
[2] Battery University: How to Prolong Lithium-based Batteries
[3] Battery University Basics About Discharging
[4] [J. of Power Source, IF:5.2, 8/83] Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2, Samsung SDI