리튬이온 배터리 충전 방식, 용량, 완충, 과충전, 특징(Lithium, Li-ion Battery Charge)

 

목차

 

 

 

"관련제품 문의는 로고 클릭 또는 공지사항의 연락처를 통해 하실 수 있습니다."

 

 

 

 

리튬이온 배터리 충전 방식(Charging Stages of Li-ion)

 

리튬이온 배터리의 음극(Cathode) 재료에 따라 특성이 변경됩니다. 주로 사용하는 음극 재료는 아래와 같습니다.

 

• 니켈(Nickel)
• 코발트(Cobalt)
• 망간(Manganese)
• 알루미늄(Aluminum)

일반적으로 셀 당 4.2V 전압까지 충전됩니다. Tolerance로 50mV 정도의 여유를 가져 갑니다. 재료에 따라서도 전압이 다른데 니켈을 사용할 경우 일반적으로 4.1V이고 고용량 리튬이온 배터리 셀은 4.3V 이상 충전이 가능합니다. 

 

해당 전압 이상 충전 시 용량은 증가 하겠지만 안전(Safety)의 문제로 일반적으로 BMS(Battery Management System)에서 전압 제한을 두고 사용 합니다. 

 

 

리튬이온 배터리 충전은 아래와 같은 방식으로 진행됩니다.

https://batteryuniversity.com/article/bu-409-charging-lithium-ion

 

위 그림과 같이 배터리 충전은 4단계로 진행 됩니다. 하지만 Stage2에서 설정한 충전 전류의 3%이하로 전류가 떨어지면 완충(Fully Charged)되었다고 판단합니다. 

 

일부 충전기는 Stage3에서 전압이 떨어지면 Stage4에서 추가 전류(Topping Charge)를 공급해서 배터리 용량을 유지 해줍니다. 

 

 

 

 

리튬이온 배터리 충전 특징(Characteristic of Charging)

 

리튬이온 배터리 충전 관련 특징은 아래와 같습니다. 

 

• 배터리 제조사에서는 셀(Cell) 수명 증가를 위해 0.8C 이하로 충전 권장
• 일부 리튬 배터리 셀은 완충 시 5℃ 증가(셀 내부 저항, 배터리 보호회로)
• 10℃이상 증가 시 충전 중지
• 충전 용량 전류에서 3%이하로 전류가 내려갈 시 완충으로 판단
• 충전 전류를 높혀도 완충까지 시간이 크게 줄지는 않지만 Peak 전압까지는 빠르게 도달함(~70%충전)
• 리튬이온배터리는 고전압(High Voltage)이 배터리에 스트레스를 주기때문에 완충을 추천하지 않음
• 사용자가 설정한 충전 전압을 낮추면 사용 용량은 줄어 드나 오래 사용 가능
• Stage1 충전으로 SOC 85% 충전 가능

 

 

 

 

리튬이온 배터리 충전 전압에 따른 용량(Voltage vs Capacity)

https://batteryuniversity.com/article/bu-409-charging-lithium-ion

 

위 테이블은 앞서 Stage1의 전압 Threhold(문턱값) 설정에 따른 4.2V 대비 사용 용량을 비교한 테이블 입니다.

 

예를 들어 3.8V 문턱전압을 사용하면 Stage1 단계에서 약 40%의 용량을 사용할 수 있고 Stage 2까지 진행해서 완충하면 65%정도 사용 가능하게 됩니다. 여기서 Charge Time은 Stage 2의 완료까지의 시간입니다. 

 

https://batteryuniversity.com/article/bu-409-charging-lithium-ion

 

위 그림은 1Crate로 충전 시 4.2V, 100% 충전에 대한 180분 간의 진행 그래프를 표현 한 것입니다. 

 

리튬이온 배터리가 완충(Fully Charged)되면 충전 전류 공급을 멈춰야 합니다. 지속적으로 충전을 하게 된다면 아래와 같은 문제가 발생합니다.

 

• 안정성 문제(Safety)
• 금속 리튬 형성(Plating of metallic lithium on anode)

 

충전이 완료 되고 Stage 3에 들어가면 배터리 셀의 전압이 떨어지기 시작 합니다. 해당 현상은 고전압 스트레스를 줄여주는 효과가 있습니다. 최종적으로 배터리 셀의 전압은 3.7~3.9V의 OCV(Open Circuit Voltage)를 가지고 안정화 됩니다. 

 

 

일부 충전기(Charger)는 Stage4 단계를 가집니다. 전압을 4~4.2V를 유지하면서 Topping Charge를 넣었다 뺐다 하면서 배터리 셀의 운전상태(Standby mode)를 유지 해줍니다. 수명은 줄어들지만 배터리를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

리튬이온 배터리 과충전(Overcharging on Lithium Battery)

 

앞서 리튬이온 배터리의 일반적인 완충 전압이 4.2v 라고 하였습니다. 만일 그 이상 전압으로 계속 충전을 하는 것이 과충전 상태라고 하고 과충전이 되면 아래와 같은 2가지 현상으로 배터리 안전에 문제가 발생하게 됩니다.

 

• 양극(Anode)에서의 Plating of metallic lithium 현상
• 음극(Cathode)가 산화됨(oxidizing agent), CO2배출

 

위 현상으로 인해 셀내에 압력이 증가합니다. 셀압력이 145~200psi 이상 증가하면 CID(Current Interrupt Device)에서 배터리 연결을 분리 해버립니다. 일반적으로 500psi에서 셀 폭발이 발생 합니다. 

 

일반적으로 완충 배터리가 낮은 열폭주 온도(thermal runaway temperature)를 가지고 있어서 운송 시 약 30%정도만 충전해서 배터리를 보냅니다.