스페셜 리포트

 전지의 spec 또는 평가는 다음과 같은 항목을 기준으로 한다. 



[capacity (mAh)] 

전지의 용량이란, mAh 라는 단위에서 볼 수 있듯이, 1 mAh 의 용량은, 1mA 의 전류를 1 시간 동안 흐르게 할 수 있는 전하량을 말하며, 따라서 전지의 용량이 1800mAh 라는 것은 1800mA 의 전류를 사용하더라도 1 시간을 쓸 수 있는 전하 저장능력이 있는 전지라는 의미가 된다. 



[energy density (Wh/l)] 

250 Wh/l, 300 Wh/l 로 표시되는 용량밀도는 전지를 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하는 판단기준이 된다. 전지에 보면, 1200mAh, 1500 mAh 등으로 표시되어있는 것을 볼 수 있다. 이것은 전류의 근원이 되는 전하량이다. 또한 전지에는 1.2 V, 3.6 V 등으로 전압이 표시되어 있다. 전력량은 Wh = Ah (전하량) x V (전압) 의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000mAh에 3.6 V 라고 하면 3.6 Wh 가된다. 여기에 부피를 나누어 주면 Wh/l 단위의 energy density를 구할 수 있다. 



[specific energy] 

Wh/Kg 으로 표시되며, 얼마나 가벼운 전지를 만들 수 있는가에 대한 척도로 작용한다. 앞에서 구한 Wh 를 전지의 무게로 나누며, 120 Wh/Kg 등으로 표시된다. 



[cycle life] 

2 차 전지는 충 방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 1000 mAh 이었던 용량이 몇 백번 충 방전을 하면서, 700, 600, 500 mAh 까지도 줄어든다. 일반적으로, cycle life 는 초기용량의 60 % 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충 방전 회수로 정의한다. 예를 들어 cycle life 가 500 회라고 하면, 500 쓰면 용량이 줄어들어 전지를 교체해야 하는 것으로 알고 있는데 사실은 그렇지는 않다. 500 회란 것은 100 % D.O.D. 에서 500 회라는 것이다. D.O.D. 는 Depth Of Discharge 의 약자로서, 용량이 1000mAh 라고 하면, 1000mAh 를 100 % 다 소진하고, 충전했을 때에 cycle life 를 의미한다. 그러나, 실제는 70-80 % 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80 % D.O.D 에서는 cycle life 는 2-3 배 정도 증가된다. Cycle life 는 교과서적인 정의에 바탕을 둔 성능 항목이므로 해석할 때 주의를 기울여야 한다. 

[Rate Performance] 

모터를 돌릴 때에는 고 전류가 필요하다. 휴대폰에서 전화를 걸 때도 고 전류가 흐른다. 전지에 따라 고 전류 방전에 강한 특성을 지닌 전지가 있고 그렇지 못한 전지가 있다. 이러한 성능 비교를 위하여 전지에서는 C-rate 개념을 사용한다. "C-rate" 는 용량을 1 시간 만에 모두 방출할 때 흐르는 전류로 정의된다. 예를 들어 1000 mAh 용량의 전지에서, 1000 mA 의 전류로 방전하면 C-rate 방전이다. Li-ion 전지의 경우는 rated capacity 란 용어를 사용한다. Rated capacity 란, C/5 (5 시간동안 방전하여야 자기 용량을 다 소진할 때의 전류속도) 로 방전했을 때의 용량을 100 % 용량이라고 정의한다. C-rate 로 방전했을 때, 고 전류에 의한 분극 현상 및 내부저항 증가로 100 % 의 용량을 방전하지 못한다. 예를 들어 "A" 라는 전지는 C-rate 에서 rated capacity 의 95 % 를 방전하고, "B" 라는 전지는 60 % 를 방전한다고 했을 때 "A" 가 "B" 보다 rate performance 가 좋다고 이야기할 수 있다. Rate performance 는 전지 기술자들이 중요성을 잘 인식하지 못하고 있는 분야이다. Designer 의 입장에서는 아마 제일 중요한 성능일 것이다. 왜냐하면, 실제로 장착 시 어느 정도 예상했던 성능을 발휘할 것인가를 결정하는 요소이기 때문이다. 차세대 전지를 평가할 때도 가장 먼저 점검해야 할 성능 이 rate performance 이다. 일단 rate performance 가 좋으면 상업화 가능성이 크다는 의미이며, 대부분의 차세대 전지의 공통적인 약점은 rate performance 이다. 



[작동 온도구간] 

전지 catalogue 를 보면, 방전은 -20 C - + 60 C, 충전은 0 - 40 C 등으로 적혀있다. 전지는 근본적으로 온도가 올라갈 수록 용량은 증대되지만, cycle life 는 급격히 떨어진다. 인간이 가장 살기 좋은 온도인 20 도를 기준으로 정한다. 20 도에서 용량을 100 % 라고 정의할 때 저온에서 몇 % 의 용량이 방전되는가를 표시하는 방법으로 전지의 온도에 대한 적응력을 평가한다. 저온 특성이 나쁘다고 하여 저온에서 전지가 작동되지 않는다는 의미는 아니다. -20 도에서 상온의 50 % 용량을 방전한다고 하면, -20도에서 상온에서 1000 mAh 의 용량을 방전하던 전지가 -20 도에서는 500 mAh 만 방전한다는 의미이다. 이것 역시 실장 test 와 전지 test 간에는 많은 gap이 있다. 경험이 많은 휴대폰 업체에서는 -20 도에서 비상통화 한 통화만 하면 된다고 말하나, 국내업체에서는 -30 도에서 상온 용량의 60 % 를 요구하는 경우도 있다. 



[자가방전] 

전지는 내부에 화학물질을 다량 함유하고 있다. 그러므로, 그냥 방치하고 있어도 화학반응에 의하여 용량이 줄어든다. 이런 현상을 자가방전 (self-discharge) 이라고 한다. 자가방전에는 두 가지를 점검해야 한다. "retention capacity" 와 "recovered capacity" 가 평가 항목이다. Retention capacity (Capacity retention) 이란 예를 들어 45 도에서 전지를 한달 간 방치하였을 때 한달 후에 어느 정도의 용량이 없어지고 어느 정도의 용량이 남아있냐를 표시하는 항목이다. 자가방전이 된 전지를 충전을 하여 방전시켜 보았을 때 용량이 100 % 방전되는 것은 아니다. 자가 방전된 전지를 재충전하여 방전했을 때 용량의 몇 % 용량이 방전되는가를 나타내는 것이 recovered capacity 이다. 일부 전지에서는 자가방전으로 전압이 0V 가까이 되면 recovery 가 안 되는 경우가 있다. 또한 자가방전은 1 차 전지에서도 문제가 된다. 1 차 전지는 창고에 stock 되어있는 기간에 비례하여 용량이 감소되므로 장기 보관 시 냉동창고에 보관해야 하며, cost 상 그렇지 못할 경우에는 싼 가격에 처분해야 한다. 자가방전은 온도가 높을 수록 자가방전 속도가 급격히 증가하므로, 열대지방이나 여름에는 세심한 주의를 해야 하고, market section 상 열대지방을 target 으로 할 경우에는 formula 를 변경시켜서 자가방전을 최소화 시켜야 한다. 다시 말해서 동일한 전지라고 하여도 수요처에 따라 formula 를 다르게 해줄 수 있는 능력을 보유하고 있어야 진정한 전지업체라고 할 수 있다. 

[전지 팩 구성의 식 nSmP] 전지의 용량 및 전압을 몇배로 증가시키는 방법 

전지는 만들 때부터 활물질의 양에 따라 용량이 결정된다. 
전지의 용량을 2배로 높이는 방법은 2개의 전지를 병렬로 연결하면 되고, 전지의 전압을 2배로 높이는 방법은 전지를 직렬로 연결하면 된다. 

 

따라서 예를 들어, 노트북 배터리팩을 사용할 때, 3.7 V, 용량 1800mAh 인 ICR18650 모델을 3S2P 로 연결하여 배터리 팩 회로를 구성한다면, 

V=3.7 V * 3 = 11.1 V 

C= 1800mAh * 2 = 3600mAh 

가 되는 배터리 팩이 된다. 



용량이 높을수록 일정한 전류로 사용할 수 있는 시간이 늘어나므로 병렬로 연결된 전지가 많을수록 사용시간은 늘어나게 된다