리튬 이온 배터리는 대표적으로 용량, 에너지 밀도, 출력, 수명, 방전 곡선 등의 특성을 가지고 있습니다. 각각의 특성이 무엇을 의미하는지 살펴보겠습니다.
용량(Capacity)
특정 방전 조건하에서 전지를 완전 방전시켜 얻을 수 있는 전하량을 뜻합니다. 방전 속도가 빠를수록 얻을 수 있는 전하량이 줄어들기 때문에 필수적으로 어떤 방전 조건으로 실험했는지 표기해야 합니다. 통상적으로는 0.2 C-rate인 5시간 동안 완전 방전을 기준으로 용량을 표기합니다.
전지의 이론 용량은 배터리 설계자가 어떻게 설계하느냐에 따라 결정됩니다. 전지 안에 활물질(양극, 음극)을 많이 넣을수록 용량이 올라가게 됩니다. 그렇다고 무조건 많이 넣을 수 있는 것이 아닌 배터리 캔의 공간 및 양극과 음극의 비율(N/P ratio)등 여러 가지를 고려하여 설계해야 합니다. 통상적으로 양극의 용량을 기준으로 설계합니다.
에너지 밀도(Energy density)
단위무게(Wh/kg) 혹은 단위 부피(Wh/L)로부터 얻어질 수 있는 에너지의 양을 뜻합니다. 배터리 뿐만 아니라 석유, 석탄, 가스 등에도 사용하는 용어입니다. 에너지 밀도는 전지나 전극의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이기도합니다. 에너지 밀도가 높을수록 효율적으로 제품을 설계할 수 있고 원하는 크기 혹은 무게 목표를 이룰 수 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리는 다른 배터리에 비해 에너지 밀도가 3~4배 이상 높기 때문에 고용량 / 고출력을 요하는 제품인 ESS 혹은 전기자동차 등에 많이 사용됩니다.
출력(Power)
단위 시간 당 생산할 수 있는 에너지를 뜻합니다. 즉, 출력은 전류와 전압의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 보통 전자제품의 작동 전압은 고정이기 때문에 배터리의 출력은 전류의 최대치를 결정하는 척도가 되기도 합니다. 쉽게 설명하자면 전류의 최대치보다 더 높은 전류를 흘려주면 전지 내부의 저항이 올라가 작동 전압이 떨어지게 됩니다. 즉, 전압이 떨어지기 직전의 전류가 전류의 최대치가 되는 것입니다.
충ㆍ방전 수명(Cycle life)
충전 후 방전을 1 Cycle로 기준을 잡고 n회차 Cycle 때 처음보다 얼마나 용량을 유지할 수 있는지 나타내는 척도입니다. 수명에 영향을 미치는 내부적 요인은 양극과 음극의 구조적 안정과 비가역 용량이 생겨나는 정도가 가장 큽니다. 비가역 용량은 충전된 전하량 중 방전되지 못하고 남아있는 전하량을 나타냅니다. 보통 첫 번째 사이클에서 SEI층 형성 등으로 가장 큰 비가역 용량이 생깁니다.
수명에 영향을 미치는 외부적 요인으로는 충ㆍ방전 속도(C-rate), 방전 깊이(Depth of discharge)에 영향을 받습니다. 이는 전지의 종류에 따라 조금씩 차이가 있습니다. 리튬 이온 배터리의 경우 충ㆍ방전 속도가 느릴수록 방전 깊이가 얕을수록 배터리 수명을 길게 유지할 수 있습니다.
* 얕은 방전 깊이 = 배터리를 많이 사용하지 않고 충전하는 것.
방전곡선(Discharge curves)
방전 곡선은 배터리 방전 동안 방전 특성의 변화를 확인할 수 있는 중요한 데이터입니다. 방전 속도, 온도 등의 변수를 가지고 다양한 실험 데이터를 확인할 수 있습니다. 각각의 변수로부터 많은 방전 곡선 데이터를 확인하면 전지의 특성을 보다 정확하게 해석할 수 있게 됩니다.
위의 그래프 중 오른쪽 그래프는 전형적인 전지의 방전 곡선을 표현한 그래프입니다. 왼쪽 그래프를 통해서 일정한 전류는 일정한 작동 전압이 형성됨을 보여줍니다. 하지만 방전 곡선은 일정한 전류를 흘려줘도 전압이 달라지는 것을 볼 수 있습니다. 일정한 전류를 흘려주더라도 방전 중 Ohmic 분극, 활성화 분극, 농도 분극 값이 달라지면 전압이 떨어질 수 있습니다. 각 상황별 특징을 설명드리겠습니다.
# 1번 방전곡선
방전이 진행되는 동안 반응물질과 생성물질의 조성 및 전지의 내부저항 등이 계속적으로 변화하는 경우
# 2번 방전 곡선
2개의 방전 메커니즘으로 방전되어 평탄화 구간이 2개가 생기는 경우
# 3번 방전 곡선
방전이 진행되는 동안 전지 내의 반응이 전지 전압에 거의 영향을 미치지 않는 경우. 가장 좋은 형태의 방전.
리튬 이온 배터리의 특성에 대해서 정리해봤습니다.
읽어주셔서 감사합니다 ^^
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