리튬이온전지의 특성 (ICR18650 1800mAh)



충전 특성 - 충전시의 전기적 특성


1) 충전 특성
리튬 이온 전지를 충전하기 위해서는 전용의 정전류/정전압(Constant Current/Constant Voltage) 방식 충전기를 사용해야 한다. 전용 충전기는 전지의 개za별 전압이 4.2V까지 충전될 수 있도록 충전 전류를 조절한다. 리튬 이온 전지는 0.1CmA에서 1.5CmA 사이의 전류 범위 안에서 정전류로 충전되다가 정전압 조건에 이르면 충전 전류가 점차 감소하여 영에 이르게 되어 전지의 과방전을 막는다.


2) 충전 시간과 충전 속도
리튬 이온 전지를 1CmA의 충전 전류로 충전할 경우 공칭용량의 90%가 충전되기까지의 시간은 80분이다

3) 충전 온도 특성
옆 그림은 0 ~ 40℃ 온도 범위에서의 리튬 이온 전지의 충전 온도 특성을 나타낸 것이다.

 

방전 특성 - 방전시의 전기적 특성

1) 방전 특성
옆그림은 정전류로 연속 방전된 리튬 이온 전지의 방전 곡선을 나타낸다. 일반적으로 리튬 이온 전지는 4.2V에서 2.75V까지 방전한다


2) 방전 온도 특성
옆그림은 다양한 온도에서의 리튬 이온 전지의 방전 용량을 나타낸 것이다.

수명 특성 및 보존 특성

1) 수명 특성
1CmA의 전류로 완전 충전 및 방전을 반복했을 때 리튬 이온 전지는 300 싸이클에서 용량의 80%를 유지하는 우수한 특성을 나타낸다


2) 자가 방전 특성
옆그림은 리튬 이온 전지를 20 ~ 60℃ 사이에 보관한 후의 잔여 용량
(전하 보존율)을 나타낸 것이다.

) 보존후의 용량 회복율
옆그림은 리튬 이온 전지를 20 ~ 60℃ 사이에 보관한 후 초기 용량 대비 사용 가능 용량을 나타낸 것이다.


리튬이온 전지의 전지팩 보호회로 ***

보호 개요


리튬 이온 전지가 4.5V 이상으로 충전되면 전지 내부의 전해액이 분해되어 기체를 형성하게 된다. 형성된 기체는 전지 내부압력을 증가시키게 되고 내부압을 해소하기 위한 안전변이 작동을 하게 되고 이는 전해액의 누출을 수반할 수 있다. 따라서 어느 전압 이상 (일반적으로 4.35V)으로 충전하지 않도록 해야한다. 또한 전지를 일정전압 이하로 방전하게 되면 음극의 집전체인 구리가 전해액 내부로 용해되기 시작하여 전지의 성능이 저하된다. 따라서 전지 팩에는 아래의 기능을 지닌 보호 회로가 반드시 필요하다.

보호 회로의 기능

1) 과충전 방지 기능 보호 회로는 전지 한 개당 4.35 ±0.05V 이상으로 충전되는 것을 방지하고 과충전된 전지의 전압이 4.0 ±0.15V 이하로 떨어지게 되면 다시 충전이 가능하게끔 한다.

2) 과방전 금지 기능
보호 회로는 전지당 2.3 ±0.15V 이하로 방전되는 것을 방지한다. 또한 전지 전압이 전지당 2.3 ±0.15V로 올라가게 되면 다시 방전이 가능하게끔 한다.

3) 단자의 단락 보호 단자(output terminals)에서 단락이 일어나게 될 경우 보호 회로는 전지의 방전을 방지한다. 전지가 정상이 되면 보호 회로는 자동적으로 다시 전지의 방전이 가능하게끔 한다.

안전 보호 설계

충전기나 사용 기기에 이상이 발생하여도 전지팩이 안전할 수 있도록 보호 회로가 전지팩을 보호할 수 있어야 한다.

* 리튬이온전지의 충전 방법에 관한 정보 ***

리튬 이온 전지의 성능이 최대로 발현되기 위해서는 다음과 같은 충전 방법에 따라 전지를 충전해야 한다.

적절한 전지팩


전지팩 내부에는 리튬 이온 전지의 과충전 및 과방전을 방지하기 위한 보호 회로가 반드시 장착되어 있어야 한다. 아래의 설명들은 단전지로 구성된 전지팩의 예를 들어 설명한 것이다.

충전 방법

리튬 이온 전지는 반드시 정전압/정전류 방식의 전용 충전기를 사용하여 충전하여야 한다. 전지 전압이 4.2V가 되기까지는 정전류로 충전이 되며, 4.2V에 도달하게 되면 정전압 방식으로 전환되면서 충전 전류가 50~100mA의 작은 값으로 점차 감소하게 된다.

충전기에 필요한 기능 및 성능
1) 충전 전압 (단자간의 충전 전압) : 4.20 ±0.05V
일반적으로 리튬 이온 전지는 4.2V로 충전하는 것이 바람직하다. 위의 공차는 기기, 설계 및 제조상의 편차를 고려한 것이다.

2) 초기 충전 전류
표준 충전 전류는 0.5CmA이고 최대 충전 전류는 1.5CmA이며 모두 2A 이하여야 한다.

3) 충전 온도
0 ~ 45℃외의 온도 범위에서 전지를 충전할 때에는 반드시 제조업체와 상담을 해야 한다.

4) 충전중의 온도 상승
리튬 이온 전지를 높은 전류로 충전하는 경우, 전지의 온도는 약 5℃ 정도 상승하게 된다. 충전 모드가 정전압 모드로 전환하게 되면 전지 온도는 서서히 하강한다.

5) 전지 확인
충전을 하기 전에 전지팩의 개방 회로 전압(open-circuit voltage)을 측정하도록 한다. 전지팩의 개방 회로 전압이 측정 가능하다면(보호 회로가 전지의 방전을 허용하는 상태일 때) 고속 충전이 바로 가능할 것이다. 그러나 측정이 불가능하다면(보호 회로가 전지의 방전을 막고 있는 상태일 때) 약간의 검사 전류(약 0.03CmA)를 흘려주어 전지를 방전 방지 모드로부터 해제해준 후 전지팩의 전압을 측정한다. 측정된 전압이 1.5V 이상이라면 지정된 시간(30분) 동안 소량의 전류로 충전을 한 후 다시 전지팩의 개방 회로 전압을 측정하도록 한다. 개방 회로 전압이 측정 가능하다면 정상적인 충전을 시작할 수 있다. 그러나 개방 회로 전압이 측정 불가능한 경우와, 약간의 검사 전류를 흘려주어도 전압이 1.5V 이하인 경우 및 검사 전류가 흐르지 않는 경우(충전 방지 모드)에는 비정상적인 전지로 간주하여 충전을 금하도록 한다.

6) 충전 종료
리튬 이온 전지가 완전하게 충전되었는지의 여부는 충전 전류를 감지함으로써 식별 가능하다. 0.1CmA의 전류가 감지되었을 때 전지가 총 용량의93 ~ 94%가 충전되었다는 것을 알 수 있다.

7) 보호 기능
a. 충전 전압이 1.50 ~ 4.30V의 범위를 벗어날 경우 전지는 비정상인 것으로 간주되어 충전이 금지되어야 한다.

b. 전지 확인을 위해 소량의 전류로 충전을 해도 일정 시간동안 전지의 전압이 계속 1.5V 이하를 유지할 경우 전지는 비정상인 것으로 간주되어 충전이 금지되어야 한다.

c. 리튬 이온 전지는 0 ~ 45℃의 범위 내에서 소량의 전류로 충전하는 것이 가능하다. 그러나 안전을 위해 타이머를 준비하는 것이 바람직하다.

8) 전원 공급 장치의 고장에 대한 대안
전원 공급 장치의 이상으로 인해 전지에 과전압이 걸리는 것을 방지하기 위해 과전압 보호 기능이 있는 장치를 사용해야 한다.단전지로 구성된 전지팩의 충전 방법이 위에 설명되었다. 전지팩이 두개 이상의 전지로 구성되어 있을 때에는 실제 사용에 앞서 제조업체에 문의하여야 한다.

* 리튬이온전지의 안전성 ***

리튬 이온 전지는 다양한 안전 기능이 마련되어 있다. 예를 들어 안전변은 가혹한 조건 하에서 내부압을 해소하기 위한 것이고 PTC(positive temperature coefficient) 소자는 외부 단락이 발생하였을 때 흐르는 급격한 전류를 정상적인 방전 전류로 감소시킨다.

다음 표는 리튬 이온 전지의 안전성을 확인하기 위해 실행한 가혹 조건 실험들의 방법 및 결과를 요약해놓은 것이다.


안전성 실험

1) 전기적 실험

2) 기계적 실험

 

3) 환경적 실험

 

 

 

전해액의 독성

리튬 이온 전지에 사용하는 전해액은 약간의 냄새가 있는 투명한 액체이다. "Law for Control of Poisonous and Powerful Agents"에 의해 독으로 분류되어 있지는 않다.

전지를 분해하는 것은 금지되어 있다. 리튬 이온 전지를 올바로 관리한다면 누액은 일어나지 않을 것이다. 만일 누액이 발생하여 피부에 노출되면 점차 피부를 자극하게 되고, 장시간 노출될 경우 염증을 유발할 수도 있다. 응급 처치 요령은 다음과 같다.

전해액이 피부에 노출될 경우, 즉시 깨끗한 물로 세척한다. 전해액이 눈에 들어갔을 경우에는 즉시 깨끗한 물로 눈을 15분 이상 세척한 후 의사와 상담하도록 한다.
그 외에도 전해액을 삼켰을 경우에는 따뜻한 물이나 우유를 다량 마셔서 구토를 유도하고 의사와 상담하도록 한다. 전해액으로 오염된 천을 소각할 경우 인체에 유해한 기체가 발생할 수 있다. 따라서 전해액이 묻은 천은 폐기하기 전에 반드시 물로 세척하여야 한다.
전해액은 인화점이 25℃이고, Non Water-Soluble Liquids, Petroleic Oils, 2nd Group, Category No. 4의 "Dangerous Class III"로 지정되어 있고 일본의 Fire Service Law에 의하면 위험 물질로 규정되어져 있다.

UL 승인

일부 리튬 이온 전지(원통형18650 1400mAh, 1600mAh, 1800mAh/각형 103448,863448)는 UL1642를 통과하였으며, 일부(원통형 18650 2000mAh/각형 633067, 633048, 633450)는 평가중임.

* 리튬이온전지 취급시 주의사항 ***

전지의 안전성 보장을 위해 전지 설계 및 제조에 있어 최선을 다하는 한편, 리튬 이온 전지를 사용함에 있어 사용자가 준수해야할 주의사항 및 금지 사항을 다음에 나타내었다. 리튬 이온 전지를 사용함에 있어 사용자가 아래의 주의 사항 및 금지 사항을 준수하지 않았을 경우에는 당 회사는 책임을 지지 않습니다.

다음 표는 리튬 이온 전지의 안전성을 확인하기 위해 실행한 가혹 조건 실험들의 방법 및 결과를 요약해놓은 것이다.


충전 관련 사항

1) 충전 전압 단전지의 전압이 1.0V이하(Note 1)일 경우에는 절대로 전지를 충전해서는 안된다. 또한 명시된 충전 전압(4.2V ×직렬로 연결된 전지의 개수)을 넘어서도 안된다. 충전 중의 주위 온도, 전원 공급 장치 전압의 변동 및 전압 조절 정밀도 등을 고려하여 볼 때 충전 전압은 "4.25V ×직렬로 연결된 전지의 개수" 를 초과해서는 안된다. 또한 외부 공급 전원이 명시된 전압을 초과하는 경우나 충전기의 고장 등의 상황에서도 명시된 충전 전압 이하를 정확히 유지할 수 있는 충전기를 선택하는 것도 중요하다.

2) 충전 전류 리튬 이온 전지는 명시된 충전 전류(1.5CmA) 이하의 전류로 충전하도록 한다. 만일 전지의 전압이 "1.0V ×직렬로 연결된 전지의 개수"(Note 1)에서 "1.0V ×직렬로 연결된 전지의 개수" 사이의 범위로 낮아졌을 때에는 소량의 전류인 1/20 ~ 1/30CmA의 전류로 전지를 충전하도록 한다.

3) 충전 온도 리튬 이온 전지는 0 ~ 45℃의 온도 범위 안에서 충전하도록 한다. 전지팩 내의 전지 위치를 결정할 때에도 충전기 내부에 발생하는 열을 고려하여 전지가 위의 온도 범위 안에서 충전될 수 있도록 설계하여야 한다. 0℃ 이하의 온도에서는 전지가 불완전하게 충전될 뿐 아니라 전지의 여러 성능도 저하되게 된다.

4) 역충전 전지의 역충전을 반드시 방지해야 한다.

방전 관련 사항

1) 방전 전류 리튬 이온 전지는 명시된 방전 전류(1.5CmA) 이하로 방전하도록 한다. 2Amps이상의 전류는 cycle interval에 따라 PTC의 특성으로 인해 전지 용량을 감소시킬 수 있다.

2) 방전 온도 리튬 이온 전지는 -20 ~ 60℃의 범위내에서 방전하도록 한다. -20℃ 이하의 온도에서 리튬 이온 전지의 방전 용량은 급격하게 감소할 것이다.

3) 과방전 충전기의 누전이나 기타의 이유로 인해 리튬 이온 전지의 과방전이 발생할 수도 있다. 따라서 이러한 원인들을 최소화하기 위해 많은 노력이 필요하다.

보관/재고 관련 사항

1) 보관 환경 리튬 이온 전지는 -20 ~ 35℃의 온도에 습도가 낮고 부식이 일어나기 어려운 장소에 보관하여야 한다. 60℃ 이상의 온도에 보관할 경우에는 전지의 성능에 저하가 있다. 또한 전지를 불 가까이 보관하지 않아야 한다.

2) 재고 관리 전지의 제조 및 배포(distribution)에 있어서 first-in first-out(FIFO) 원리를 반드시 지키도록 한다.

3) 장기간 보관 전지의 전압이 높을수록 보관에 따른 용량 감소의 폭은 더 크다. 따라서 리튬 이온 전지를 장시간 보관할 경우에는 전지당 약 3.8V의 낮은 전압으로 보관하도록 한다. 또한 1년 이상 전지를 보관할 경우에는 전지를 매년 약 3.8V로 충전하여 전지의 과방전을 방지하도록 한다. 전지를 장기간 보관할 경우 전지의 자가 방전으로 인해 전지가 과방전될 가능성이 있다.

장비 설계 관련 사항

1) 역 극성 방지 리튬 이온 전지를 사용하는 전용 충전기나 장비를 설계할 때에는 리튬 이온 전지가 거꾸로 삽입되는 것을 방지할 수 있는 모양으로 설계되어져야 한다. 또한 금속 목걸이나 체인등의 전도체로 인한 단락을 방지하기 위해 전지 구성이나 단자 모양을 설계시에 고려하여야 한다.

2) 전지 위치 리튬 이온 전지는 장비내의 발열 부분을 피해 장착할 수 있도록 그 위치를 설계하여야 한다. 또한 장비 내부를 설계할 때 리튬 이온 전지의 누액등의 비정상적인 상황을 고려하여 전지 주위를 알맞게 설계하여야 한다. 그리고 장비가 전자기파를 발생시킨다면 전지의 보호 회로가 전자기파의 직접적인 영향을 받지 않도록 전지 위치가 결정되어져야 한다.

3) 낙하에 대한 대책 리튬 이온 전지를 사용하는 장비는 기계적인 충격을 어느 정도 흡수할 수 있도록 설계되어져야 한다. 충격 흡수 능력이 있어야만 낙하로 인한 배선의 이동, 전지 이동으로 인한 단락, 누액 등의 문제가 발생하지 않는다. 장비는 누액등의 비정상적인 상황을 고려하여 신중하게 설계하여야 한다.