리튬 전지(Lithium cell)에 대하여
리튬전지는 가볍고 용량이 크며 재충전 사용이 가능한 고성능의 전지로서, 휴대전화나 노트북 컴퓨터의 전원으로 주로 사용됩니다. 리튬전지는 일반전지에 비해 2배 이상 높은 3.0~3.6V의 전압을 가지며, 전압 평탄도가 우수하고, 호환 가능한 전지들 중에서 에너지 밀도가 가장 높은 것은 물론 -55~85℃의 넓은 온도 범위에서 작동이 가능합니다. 아울러 일반적인 조건에서의 자가 방전율이 연간 2퍼센트 미만이므로 장기간 저장 후에도 사용이 가능하다고 합니다.
리튬은 가장 가벼운 금속 원소(원소기호 Li, 번호 3)로서, 휴대용 단말기에 사용되는 리튬 이온전지는 니켈-카드뮴 전지에 비해 약 2배의 용량과 약 3배의 전압을 유지하며 자기 방전이 적은 특징을 가지고 있습니다. 충·방전을 1,000회 이상 반복해도 메모리 효과가 발생하지 않아 전지를 다 쓰지 않고 재충전해도 수명이 단축되지 않으며 내구성이 좋습니다.
리튬 2차전지는 전해질 형태에 따라 리튬금속전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지, 리튬인산철 등으로 나눌 수 있습니다.
리튬전지별 특성
1. 리튬이온전지
쉽게 18650전지를 생각하시면 됩니다. 내부에 액체전해질이 들어 있습니다. 원리는 1960년대에 제안되었지만 리튬의 반응성이 너무 커서 안정성 문제해결이 어려워 실용화되지 못하다가 1991년 소니 회사가 제품 개발에 성공함으로써 상용화되기 시작하였습니다.
리튬이온전지의 강점
첫째, 매우 가볍다.
리튬 금속은 다른 어느 금속보다 가볍기 때문에 이 금속을 사용한 전지도 매우 가벼워 에너지 밀도가 매우 크다고 합니다. 리튬이온전지의 에너지 밀도는 160Wh/kg으로 니켈카드뮴 전지의 약 2배, 납 축전지의 6배 정도된다고 합니다.
둘째, 기전력이 크다.
리튬이온전지의 기전력은 3.6V로 이 전지 하나로 휴대전화를 작동시킬 수 있습니다. 니켈-기반(nickel-based)의 전지는 기전력이 1.2V이기 때문에 이 전지 세 개를 직렬 연결하여야 리튬이온전지 한 개의 기전력을 얻을 수 있습니다.
셋째, 리튬이온전지는 관리가 쉽다.
기억효과(memory effect : 충전하기 전에 전지가 완전히 방전되어 있어야 하는 성질로 생각하면 됨)가 없어 완전히 방전시키지 않고 어느 정도 충전 되어 있는 상태에서도 충전이 가능합니다.
넷째, 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다.
리튬이온 전지의 자가 방전율은 5%/월 로 니켈-기반의 전지의 1/4정도에 불과합니다.
리튬이온전지의 약점
첫째, 리튬이온전지는 제조된 직후부터 열화(degrading)가 시작된다.
사용하든지 사용하지 않든지에 관계없이 시간의 흐름에 따라 열화가 진행되며, 대개 리튬 전지의 수명은 2∼3년 정도입니다.
둘째, 온도에 민감하다.
온도가 높을수록 열화가 빨리 진행되며, 0℃에서는 연간 약 6%, 25℃에서는 약 20%, 40℃에서는 약 35%의 용량(수명) 감소가 일어납니다.
셋째, 리튬이온전지를 잘못 취급하면 심각한 안전 문제를 야기한다.
너무 고온으로 된다든지, 햇빛이 쪼이는 곳에 놓아둔다든지 하면 폭발할 위험이 있습니다.
리튬이온전지를 오래동안 사용하기 위해 알아두어야 할 사항
첫째, 전지를 사용한 다음 빨리 충전해야 한다.
사용하지 않고 보관해 둘 때에는 40∼60%정도 충전한 상태로 습도가 낮은 곳에 두는 것이 좋습니다.
둘째, 리튬이온전지는 완전히 방전될 때까지 사용해서는 안된다.
완전히 방전된 상태로 되면 충전 시간이 매우 길어지거나 더 이상 충전이 되지 않습니다.
셋째, 리튬이온전지를 살 때에는 제조 일자를 확인하여 제조일로부터 경과 시일이 짧은 것을 사도록 하는 것이 좋다.
미리 사 두는 것은 좋은 방법이 아니라는 거죠.
넷째, 높은 온도에 두지 않는다.
높은 온도에서는 수명이 급격하게 짧아집니다. 전원에 연결하여 노트북 컴퓨터를 사용하는 경우에는 리튬이온전지를 떼어 냉장실에 두는 것이 좋습니다. 그러나 이 경우에도 냉장고에 너무 오래 놓아두면 완전방전이 일어날 수 있으므로 적어도 3∼4개월에 한 번은 충전한 다음 다시 보관하는 것이 좋다고 합니다.
2. 리튬폴리머 전지
리튬폴리머전지는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안정성이 확보되어 리튬이온전지의 발전된 형태라고 합니다. 에너지 효율도 리튬이온전지보다 높다고 합니다.
리튬폴리머배터리를 나타낼 때 중요한 것이 용량(mAh)과 방전률(C)이란 것이 있는데 용량을 나타내는 mAh는 한시간동안 얼마 만큼의 밀리암페어 전류를 꾸준히 공급할 수 있는가를 나타내는 것이고, 방전률 C는 그 용량의 몇배로 최대한 방전할 수 있는가를 나타내는 것입니다. 예를 들어 2,200mAh 20C 리튬폴리머배터리는 한시간 동안 2,200 미리암페어의 전류를 꾸준히 공급할 수 있고, 최대 공급전류는 용량의 20배 즉 2,200*20 = 44,000 미리암페어 = 44암페어의 전류를 방전할 수 있다는 뜻입니다.
리튬폴리머배터리는 만충시 셀당 4.2V가 되며 4.3V를 넘기면 위험하고, 너무 막써서 셀당 2.4V 아래로 전압이 떨어지면 메롱이 됩니다. 따라서 너무 저전압이 되기전에 사용을 멈추는 것이 좋으며 보관시에는 3.8V내외로 전압을 유지하여 서늘한 곳에서 보관해야 수명이 오래가고 성능저하가 작다고 합니다.
리튬폴리머배터리의 충전수는 보통 300회가 한계입니다.
3. 리튬인산철전지
다른 리튬전지는 4.2V가 완충전압으로 4개 직렬시 16.8V로 12V용 차량용 제품을 쓰면 손상의 위험이 있으나 리튬인산철은 4개 직렬 시14.4V로 쉽게 차량용 12V기기를 쓸 수 있습니다.
리튬전지의 기타 참고사항
보호회로
리튬전지의 기준 전압이 3.7인데 완전 충전 시 4.3V를 넘기면 위험하고 2.4V 이하로 방전되면 배터리의 수명이 단축됩니다. 그래서 과충전과 과방전을 막아주는 보호회로가 필요합니다.
PCM은 과충전과 과방전을 막아주고 BMS는 추가기능으로 충전 시 각셀의 전압을 일정하게 충전 시켜주는 기능을 합니다. 신품, 정품배터리는 PCM만 달아도 문제는 없는데 오래된 전지, 중고 전지는 BMS를 다는게 안전하겠지요.