[리튬이온배터리]Lithium Battery 노화 원인, 수명 연장 방법(Aging, Life)

 

목차

 

 

 

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Lithium Battery 수명 노화 원인

리튬이온 배터리의 화학적인 노후화 진행에 대해서는 괄호안의 링크를 참조하시길 바랍니다(https://famtech.tistory.com/118). 이번 포스트는 노화(Aging)의 주요 원인과 결과에 대해 얘기하겠습니다.

 

리튬이온 배터리는 양극(Positive Electrode)와 음극(Negative Electrode) 사이에 이온(Ion)이 움직임에 의해 배터리가 동작 합니다. 

 

이상적으로 리튬이온 배터리 동작은 무한정으로 충전(Charging)과 방전(Discharging)을 진행할 수 있습니다. 하지만 온도와 충방전 사이클(Cycle)에 따라 배터리는 노화되고 용량이 줄어 듭니다. 일반적인 배터리 제조사는 리튬이온 배터리의 라이프 사이클을 보수적으로 아래와 같이 보고 있습니다.

 

• 보수적 관점에서의 리튬이온 배터리 수명 사이클: 300~500 충방전

 

방전 시 방전량은 사용자에 따라 천차 만별이기 때문에 실제 수명 사이클을 정확히 예측하기가 쉽지 않습니다. 그리고 사용자의 주변 온도에 따라서도 배터리는 수명에 크게 영향을 받기 때문에 단순 사이클이나 시간으로 수명을 예측할 수 없습니다. 

 

 배터리 성능(Performance)를 결정할 때 내부저항(Internal resistance)나 Self Discharge와 같은 요소들도 중요하긴 하지만 결정 적인 요소는 "용량(Capacity)" 입니다.

 

 

Lithium Battery 노화 원인: DOD

 

배터리 수명에 영향을 주는 첫번째 주요 요소는 DOD(Depth of Discharge)입니다. DOD는 방전 정도를 의미하는 말로 제조사에서 측정한 전체 용량을 100%로 산정하고 어느정도까지 방전을 진행하는 지에 대한 값입니다.

 

아래 테이블은 니켈 망간 코발트(NMC) 배터리와 리튬인산염(LiPo4) 배터리 간의 수명을 DOD 관점에서 비교한 테이블입니다. 

https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries

 

테이블에 나온 값과 같이 배터리 사용량을 줄이는 것에 비례해서 수명 사이클(Life Cycle)이 증가하는 것이 아닌 크게 증가함을 알 수 있습니다.

 

 

 

Lithium Battery 노화 원인: 충전전압, 온도

리튬이온 배터리의 충전 전압과 온도는 상호 연결된 관계 입니다. 충전 전압을 높이고 해당 전압을 유지하게 되면 온도도 같이 상승하게 됩니다. 

 

일반적으로 제조사에 아래 온도와 전압을 배터리에 악영향을 주는 경계값으로 잡습니다.

 

• 배터리 수명 단축 원인 경계 온도: 30℃
• 배터리 수명 단충 원인 경계 충전 전압: 4.1V/Cell

 

아래 테이블은 충방전시 주변 온도와 충전 전압에 따른 용량의 변화를 보여주는 테이블 입니다.

https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries

 

리튬이온 배터리의 경우 4.2V에서 충전하는 경우와 4.1V에서 충전하는 경우 수명 사이클 관점에서는 두배가 증가됩니다. 단점은 용량을 줄임으로서 사용할 수 있는 전체 용량이 줄어들게 됩니다. 

 

https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries

위 테이블과 같이 일반적으로 리튬이온 배터리는 4.2V를 100% 용량으로 정합니다. 테이블은 충전 전압의 변화에 따라 사용할 수 있는 사이클과 용량의 변화를 정리한 테이블입니다. 

 

 

 

DST(Dynamic Stress Test) 실험으로 배터리 수명 평가

 

DST 시험은 Dynamic Stress Test로 리튬이온 배터리에 다양한 충전 방전 밴드(Bandwidth)를 가지고 진행합니다. 아래 테스트 결과는 니산(Nissan)의 리프(Leaf) 차량의 배터리에 시험을 진행한 결과 입니다. 

 

주황색 선과 같이 SOC 75~65% 만으로 충방전을 진행할 경우 8000 사이클 이상 진행하여도 용량이 90% 이상을 유지함을 확인할 수 있습니다. 

https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries

 

 

아래 그림은 충방전 밴드와 충전 전압에 따른 내부 저항(AC, DC)의 변화량을 측정한 값입니다. 

 

 

 

https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries

 

Internal Resistance 결국 배터리의 Performance와 관련 있습니다(https://famtech.tistory.com/121). 내부 저항이 증가하면 결국 전압 강하로 원하는 만큼의 전압을 사용하지 못하기 때문에 Perfomance에도 영향을 줄 수 밖에 없습니다.

 

내부 저항과 배터리 사이에서의 상세 관계에 대해서는 다음 포스터에서 설명하도록 하겠습니다.