일부 Tony Stark가 아크 원자로를 발명하거나 무선 에너지 전송을위한 태양 광 위성 (SPS) 연구가 이루어지지 않는 한, 우리 인간은 휴대용 또는 원격 전자 장치에 전원을 공급하기 위해 배터리에 의존해야합니다. 가전 제품에서 볼 수있는 가장 일반적인 유형의 충전식 배터리는 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 유형 입니다. 이 기사에서는 리튬 이온 배터리가 다른 모든 유형보다 더 유용한 경향이 있기 때문에 우리의 관심이 될 것입니다. 작은 전원 은행이든 노트북이든 Tesla의 새로운 Model 3만큼 큰 것이 든 모든 것이 리튬 이온 배터리로 구동됩니다.
이 배터리가 특별한 이유는 무엇입니까? 프로젝트 / 디자인에서 사용하기 전에 무엇을 알아야합니까? 이러한 배터리를 어떻게 안전하게 충전 또는 방전 하시겠습니까? 이 모든 질문에 대한 답을 알고 싶다면 올바른 기사에 도달 한 것입니다. 가능한 한 흥미롭게 유지하도록 노력하는 동안 편안히 앉아 읽으십시오.
리튬 이온 배터리 역사
리튬 이온 배터리의 아이디어는 1912 년 GN Lewis에 의해 처음 만들어졌지만 1970 년대에야 실현 가능해졌으며 최초의 비 충전식 리튬 배터리가 상용 시장에 출시되었습니다. 1980 년대 후반 엔지니어들은 리튬을 양극 재료로 사용하는 최초의 충전식 배터리를 만들려고 시도했으며 부분적으로 성공했습니다. 그들은 이러한 유형의 리튬 배터리가 충전 과정에서 불안정하고 배터리 내부에 단락이 발생하여 온도를 높이고 열 폭주를 유발한다는 사실을 알아 차리지 못했습니다.
1991 년 일본에서 모바일에 사용 된 리튬 배터리 하나가 남성의 얼굴에서 폭발했습니다. 이 사건 이후에야 리튬 이온 배터리를 극도로주의해서 취급해야한다는 사실을 깨달았습니다. 시장에 출시 된 이러한 유형의 배터리 중 상당수는 제조업체가 안전 문제로 리콜했습니다. 나중에 많은 연구 끝에 소니는 현재까지 사용되고있는 새로운 화학 물질로 고급 리튬 이온 배터리를 출시했습니다. 여기에서 역사 수업을 마치고 리튬 이온 배터리의 화학을 살펴 보겠습니다.
리튬 이온 배터리 화학 및 작업
이름에서 알 수 있듯이 리튬 이온 배터리는 리튬 이온을 사용하여 작업을 수행합니다. 리튬은 에너지 밀도가 높은 매우 가벼운 금속으로,이 특성을 통해 배터리 무게가 가벼워지고 작은 폼 팩터로 높은 전류를 제공 할 수 있습니다. 에너지 밀도는 배터리 단위 부피당 저장할 수있는 에너지의 양이며 에너지 밀도가 높을수록 배터리는 작아집니다. 리튬 금속의 압도적 인 특성에도 불구하고 리튬은 금속 특성으로 인해 매우 불안정하기 때문에 배터리에서 직접 전극으로 사용할 수 없습니다. 따라서 우리는 리튬 금속과 다소 동일한 특성을 갖지만 비금속이며 사용하기에 비교적 안전한 리튬 이온을 사용합니다.
일반적으로 리튬 배터리의 양극은 탄소로 만들어지며 배터리의 음극은 코발트 산화물 또는 기타 금속 산화물을 사용하여 만들어집니다. 이 두 전극을 연결하는 데 사용되는 전해질은 리튬 이온을 포함하는 단순한 염 용액입니다. 방전시 양전하 리튬 이온은 음극쪽으로 이동하여 양전하가 될 때까지 폭격합니다. 이제 음극은 양전하를 띠기 때문에 음전하를 띤 전자를 끌어 당깁니다. 이 전자들은 우리 회로를 통해 흐르도록 만들어져 회로에 전원을 공급합니다.
마찬가지로 충전하는 동안도 정반대가 발생합니다. 전하에서 나온 전자가 배터리로 흘러 들어가 리튬 이온이 양극쪽으로 이동하여 음극이 양전하를 잃게됩니다.
리튬 이온 배터리 소개
리튬 이온 배터리에 대한 이론은 충분합니다. 이제이 셀에 대해 실질적으로 알게되므로 프로젝트에서 사용할 수 있다는 확신을 가질 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리는 18650 셀이므로이 기사에서 이에 대해 설명합니다. 아래 이미지 에는 일반적인 18650 셀 이 나와 있습니다.
모든 배터리와 마찬가지로 리튬 이온 배터리에도 전압 및 용량 등급이 있습니다. 모든 리튬 전지의 정격 전압은 3.6V입니다., 따라서 더 높은 전압 사양이 필요하므로이를 달성하려면 두 개 이상의 셀을 직렬로 결합해야합니다. 기본적으로 모든 리튬 이온 셀의 공칭 전압은 ~ 3.6V에 불과합니다. 이 전압은 완전히 방전되면 3.2V까지 내려 가고 완전히 충전되면 4.2V까지 내려갈 수 있습니다. 배터리를 3.2V 이하로 방전하거나 4.2V 이상으로 충전하면 배터리가 영구적으로 손상되고 불꽃 놀이의 비결이 될 수 있음을 항상 기억하십시오. 우리가 더 잘 이해할 수 있도록 18650 배터리와 관련된 용어를 분석해 보겠습니다. 이러한 설명은 단일 18650 셀에만 적용 할 수 있습니다. 나중에 리튬 이온 배터리 팩에 대해 더 자세히 알아볼 것입니다. 여기서 둘 이상의 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 훨씬 더 높은 전압 및 전류 정격을 얻을 수 있습니다.
공칭 전압: 공칭 전압은 18650 셀의 실제 정격 전압입니다. 기본적으로 3.6V이며 제조업체에도 불구하고 모든 18650 셀에 대해 동일하게 유지됩니다.
완전 방전 전압: 18650 셀은 3.2V 이하로 방전하지 않아야합니다. 그렇지 않으면 배터리의 내부 저항이 변경되어 배터리가 영구적으로 손상되고 폭발을 일으킬 수 있습니다.
완전 충전 전압: 리튬 이온 전지의 충전 전압은 4.2V입니다. 셀 전압이 주어진 시간에 4.2V 증가하지 않도록주의해야합니다.
mAh 등급: 일반적으로 셀의 용량은 mAh (밀리 암페어 시간) 등급으로 표시됩니다. 이 값은 구입 한 셀 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어 여기서 우리의 셀이 2Ah (Ampere / hour)에 불과한 2000mAh라고 가정 해 보겠습니다. 이것은 우리가이 배터리에서 2A를 뽑으면 1 시간 동안 지속될 것이고 유사하게이 배터리에서 1A를 뽑으면 2 시간 동안 지속될 것임을 의미합니다. 따라서 배터리가 얼마나 오래 전력을 공급할지 (런타임) 알고 싶다면 mAh 정격을 사용하여 계산해야합니다.
실행 시간 (시간) = 현재 인출 / mAh 정격
여기서, 인출 전류는 C 정격 한계 내에 있어야합니다.
C 등급: 배터리에서 사용할 수있는 최대 전류량이 얼마인지 궁금한 경우 배터리의 C 등급에서 답을 얻을 수 있습니다. 배터리의 C 등급은 각 배터리마다 다시 변경됩니다. 우리가 가지고있는 배터리가 3C 등급의 2Ah 배터리라고 가정 해 보겠습니다. 값 3C는 배터리가 정격 Ah 정격의 3 배를 최대 전류로 출력 할 수 있음을 의미합니다. 이 경우 최대 전류로 최대 6A (3 * 2 = 6)를 공급할 수 있습니다. 일반적으로 18650 셀은 1C 등급 만 있습니다.
배터리에서 끌어온 최대 전류 = C 등급 * Ah 등급
충전 전류: 배터리의 또 다른 중요한 사양은 충전 전류입니다. 배터리가 최대 6A의 전류를 공급할 수 있다고해서 6A로 충전 할 수 있다는 의미는 아닙니다. 배터리의 최대 충전 전류는 배터리에 따라 다르기 때문에 배터리의 데이터 시트에 언급됩니다. 일반적으로 0.5C로 Ah 등급 값의 절반을 의미합니다. 2Ah 등급 배터리의 경우 충전 전류는 1A (0.5 * 2 = 1)입니다.
충전 시간: 단일 18650 셀을 충전하는 데 필요한 최소 충전 시간은 충전 전류 값과 배터리의 Ah 등급을 사용하여 계산할 수 있습니다. 예를 들어 1A 충전 전류로 2Ah 배터리를 충전하면 충전기가 CC 방식 만 사용하여 셀을 충전한다고 가정하면 충전하는 데 약 2 시간이 걸립니다.
내부 저항 (IR): 배터리의 내부 저항을 측정하여 배터리의 상태와 용량을 예측할 수 있습니다. 이것은 배터리의 양극 (양극)과 음극 (음극) 단자 사이의 저항 값일뿐입니다. 셀의 IR의 일반적인 값은 데이터 시트에 언급됩니다. 실제 값에서 더 많이 표류할수록 배터리 효율이 떨어집니다. 18650 셀의 IR 값은 밀리 옴 범위에 있으며 IR 값을 측정하기위한 전용 기기가 있습니다.
충전 방법: 리튬 이온 전지를 충전하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 것은 3 단계 토폴로지입니다. 세 단계는 CC, CV 및 세류 충전입니다. 에서 CC (정전류) 모드 셀은 입력 전압을 변경함으로써 전류를 충전하는 일정한 충전된다. 이 모드는 배터리가 일정 수준까지 충전 된 다음 CV (정전압) 까지 활성화됩니다.모드는 충전 전압이 일반적으로 4.2V로 유지되는 곳에서 시작됩니다. 최종 모드는 펄스 충전 또는 세류 충전으로 배터리의 수명주기를 개선하기 위해 작은 전류 펄스가 배터리로 전달됩니다. 7 단계 충전을 포함하는 훨씬 더 복잡한 충전기도 있습니다. 이 주제는이 기사의 범위를 훨씬 벗어 났으므로이 주제에 대해 자세히 다루지 않을 것입니다. 그러나 주석 섹션에 대한 언급을 알고 싶다면 리튬 이온 전지 충전에 대한 별도의 기사를 작성하겠습니다.
충전 상태 (SOC) %: 충전 상태는 휴대폰에 표시된 것과 유사한 배터리 용량에 지나지 않습니다. 배터리의 용량은 전압 밸브로 명확하게 계산할 수 없으며 일반적으로 시간에 따른 배터리 용량의 변화를 확인하기 위해 전류 적분을 사용하여 계산됩니다.
방전 깊이 (DOD) %: 배터리가 얼마나 방전 될 수 있는지는 DOD에서 제공합니다. 배터리가 손상 될 수 있다는 것을 알고 있으므로 배터리가 100 % 방전되지 않습니다. 일반적으로 모든 배터리에 대해 80 %의 방전 깊이가 설정됩니다.
셀 차원: 18650 셀의 또 다른 독특하고 흥미로운 기능은 차원입니다. 모든 셀은 직경이 18mm이고 높이가 650mm이므로이 셀의 이름은 18650입니다.
더 많은 용어 정의를 원하면 MIT 배터리 용어 문서를 참조하십시오. 여기서 배터리와 관련된 더 많은 기술 매개 변수를 찾을 수 있습니다.
18650 셀을 사용하는 가장 쉬운 방법
완전히 초보자이고 프로젝트에 전원을 공급하기 위해 18650 셀로 시작하는 경우 가장 쉬운 방법은 18650 셀을 안전하게 충전 및 방전 할 수있는 기성품 모듈을 사용하는 것입니다. 이러한 모듈 만이 단일 18650 셀을 처리 할 수있는 TP4056 모듈입니다.
프로젝트에 입력 전압으로 3.6V 이상이 필요한 경우 두 개의 18650 셀을 직렬로 결합하여 7.4V의 전압을 얻을 수 있습니다. 이 경우 2S 3A 리튬 이온 배터리 모듈과 같은 모듈을 사용하면 배터리를 안전하게 충전 및 방전하는 데 유용합니다.
두 개 이상의 18650 셀을 결합하기 위해 기존의 납땜 기술을 사용하여 둘을 연결하는 대신 스폿 용접 이라고하는 프로세스 가 사용됩니다. 또한 18650 셀을 직렬 또는 병렬로 결합하는 동안 다음 단락에서 설명하는 더 많은주의를 기울여야합니다.
리튬 이온 배터리 팩 (직렬 및 병렬 셀)
소형 휴대용 전자 장치 또는 소형 장치에 전원을 공급하려면 단일 18650 셀 또는 최대 쌍이 직렬로 연결됩니다. 이러한 유형의 애플리케이션에서는 관련된 배터리 수가 적기 때문에 복잡성이 적습니다. 그러나 Electric Cycle / Moped 또는 Tesla 자동차와 같은 더 큰 애플리케이션의 경우 원하는 출력 전압 및 용량을 얻기 위해 많은 셀을 직렬 및 병렬 방식으로 연결해야합니다. 예를 들어 Tesla 자동차에는 정격 3.7V 및 3.1Ah의 6800 개 이상의 리튬 전지가 포함되어 있습니다. 아래 그림은 자동차 섀시 내부에 어떻게 배치되어 있는지 보여줍니다.
모니터링 할 셀 수가 이렇게 많으므로 이러한 셀을 안전하게 충전, 모니터링 및 방전 할 수있는 전용 회로가 필요합니다. 이 전용 시스템을 배터리 모니터링 시스템 (BMS) 이라고합니다 . BMS의 역할은 모든 리튬 이온 셀의 개별 셀 전압을 모니터링하고 온도도 확인하는 것입니다. 그 외에도 일부 BMS는 시스템의 충전 및 방전 전류를 모니터링합니다.
두 개 이상의 셀을 결합하여 팩을 구성 할 때 화학적, 전압, Ah 등급 및 내부 저항이 동일하도록주의해야합니다. 또한 셀을 충전하는 동안 BMS는 셀이 고르게 충전되고 고르게 방전되도록하여 주어진 시간에 모든 배터리가 동일한 전압을 유지하도록합니다. 이를 셀 밸런싱 이라고합니다. 이 외에도 설계자는 고온에서 잘 반응하지 않기 때문에 충전 및 방전 중에 이러한 배터리를 냉각하는 것에 대해 걱정해야합니다.
이 기사가 리튬 이온 셀에 대해 약간의 자신감을 가질 수 있도록 충분한 세부 정보를 제공했기를 바랍니다. 특별한 의문이 있으시면 댓글란에 남겨 주시면 최선을 다해 답변 드리겠습니다. 그때까지 행복한 땜질.