충전곡선과 방전곡선 이해하기(음극, 양극)

리튬이온 배터리를 이해하기 위해서는 충ㆍ방전 곡선의 해석이 중요합니다. 충전, 방전의 정의가 무엇이며 리튬이온 배터리에서 음극과 양극에서 어떤 그래프태로 나타나는지 자세하게 설명드리겠습니다.

 

 

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충전 방전 곡선

 

  충방전 곡선에서 y축은 전압 x 축은 용량을 가르킵니다. 즉 y 값이 높을수록 출력이 높아지고, x 값이 클수록 오랫동안 사용할 수 있습니다. 아래는 양극과 음극의 충전, 방전 곡선 그래프입니다.

 

음극과 양극의 충방전 곡선

  기본적으로 충전된 만큼 방전됩니다. 하지만 충전 중 부산물이 생겨 방전곡선의 용량이 조금 더 적습니다. 이때 손실을 보는 용량을 비가역 용량이라고 부릅니다. 이렇게 확인된 음극과 양극의 그래프를 합쳐주면 실제로 사용하는 배터리의 충전 방전 그래프도 알 수가 있습니다.

 

  충전이란 기전력이 높아지는 즉 전압이 높아지는 것입니다. 하지만 위 그림에서 음극 충전 그래프를 보면 전압이 떨어집니다. 이유는 배터리의 기전력이 올라가기 위해서 충전 시 양극은 전압이 증가하고 음극은 감소하게 되기 때문입니다. 보통은 배터리를 기준으로 설명하기 때문에 빨간색 곡선을 충전 곡선으로 이해하시면 됩니다. 반대로 방전은 충전된 전력을 사용하여 전압이 떨어지는 상태를 뜻합니다.

 

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충방전 곡선의 중요성

 

리튬 이온 배터리의 충전 곡선

 

#1 배터리 전압 결정

  배터리에서 전압은 양극물질과 음극물질의 재료 특성상 가지고 있는 전위의 차이입니다. 예를 들면 완충 시 음극재료인 흑연은 0.05V의 기전력을 가집니다. 양극재료인 LCO는 3.65V의 기전력을 가집니다. 즉, 흑연과 LCO의 기전력 차이는 3.6V이며 이것이 배터리의 전압을 결정하게 됩니다. 위의 그림을 보시면 양극의 충전 곡선과 음극의 충전 곡선 사이의 전압 차이가 존재합니다. 바로 그 차이가 배터리의 전압입니다. 즉, 충전 곡선을 알면 배터리가 충전되는 동안 전압의 변화를 예측할 수 있습니다.

 

#2 배터리 용량 결정

  배터리가 구동 가능한 전압 범위를 정하면 배터리의 사용 가능 용량을 알 수 있습니다. 전압 범위를 설정하는 기준은 배터리를 사용할 전자기기의 최소 작동전압과 배터리의 구조가 붕괴되지 않을 정도의 전압으로 결정합니다. 위에 그래프는 핸드폰 배터리라고 가정했을 때 영상 및 음성 전달하는 기기의 최소 전압 요구조건인 3V와 양극재의 구조가 불안정해지기 전인 4.2V 사이로 정한 것입니다. 이렇게 정했을 때 3V ~ 4.2V 사이에서 구동되는 용량을 확인할 수 있습니다.

 

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