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자동차용 리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

카테고리 없음 2020. 4. 21. 08:22 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

리튬 폴리머 전지의 소개

 리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지와 작동 원리와 구조와 거의 동일하나 리튬 이온 전지의 전해액을 고분자물질로 대체하여 안정성을 높인 전지이다. 또한 리튬폴리머 전지는 음극으로 리튬금속을 사용하는 경우와 카본을 사용하는 경우가 있는데 카본음극을 사용하는 경우와 구별하여 리튬이온폴리머 전지도 부르나, 통상 리튬폴리머 전지로 통용된다.

리튬폴리머 전지의 특성

 리튬폴리머 전지는 전해질이 고체이기 때문에 전해질의 누수염려가 없어 안전성이 확보되고, 또한 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 전지팩을 제조할 수 있어 기존의 리튬이온 전지에서 원통형 및 각형전지로 전지팩을 제작할 경우 전지와 전지 사이의 불필요한 공간을 절약 할 수 있어 에너지 밀도가 높은 전지를 제조 할 수 있다.

 자기방전율 문제, 환경 오염문제, 메모리 효과 문제가 거의 없는 차세대 전지로서 2020년 이후의 대부분의 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 보편적으로 사용되고 있다. 전지 제조공정이 리튬이온 전지에 비하여 비교적 용이할 것으로 예상 되어 대량 생산 및 대형전지기 제조가 가능하여, 전지 제조 비용이 낮아 질 것으로 예상된다.

 리튬폴리머 전지의 기술적 과제

- 전기 화학적으로 안정해야 한다.(과충방전에 견디기 위해 넓은 전압범위에서 안정)

- 전기전도도가 높아야 한다.(상온에서 1mS/cm 이상)

- 전극물질이나 전지내의 다른 조성들과 화학적, 전기화학적 호환성이 요구된다.

- 열안정성이 우수해야 하다.

- 원재료의 수급이 원활해야 한다..

개발 동향

 상온에서 높은 이온전도도를 나타내는 고체 고분자 전해질의 개발에 집중하고 있으며, -고분자 전해질 및 하이브리드 고분자 전해질이 개발 되었다. 이들 고분자 전해질은 액체와 고체 고분자 전해질의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 하이브리드 고분자 전해질은 고분자 매트릭스 내에 유기용매 전해질을 주입시켜 제조한 것으로 전기화학적, 열적, 전기적 특성이 우수하며, 또한 제 3의 물질을 첨가하여 기계적 특성을 증대 시켰다.

리튬폴리머 전지의 종류

 리튬이온 전지의 (+)극과 (-)극 사이에는 액체로 된 전해액이 유기성인데 휘발유 보다 잘 타는 물질로서 연소성이 높아 폭발의 위험성이 있다. 최근의 리튬이온 전지 배터리의 자동차에서 일어나는 배터리의 화재는 대부분 전해액이 유기용매로 되어 있어 발화성이 극히 높기 때문이다. 리튬폴리머는 전해액 대신에 고분자 물질로 채워 안정성을 높였다. 리튬이온 중합체 전지(리튬이온 폴리머 전지, 폴리머 전지)는 중합체(폴리머)를 사용한 리튬이온 전지인 것이다.

 협의의 폴리머 전지는 폴리머를 전해질로 사용한 것이다. 광의의 폴리머 전지는 전해질 이외에 음극과 양극의 활성 물질에 전도성 고분자 등을 이용한 것이다. 고체나 젤 상태의 중합체를 전해질로 사용하기 때문에 안전성이 높고 무게도 가벼우며 제조과정도 간단하여 컴퓨터를 포함한 소형 전자기기에 사용된다.

리튬롤리머 전지는 리튬이온 전지와 동작원리는 같으나 전해액에 유기 용매와 겔상의 고분자를 사용하여 누액의 위험이 적고 안전성이 뛰어나며 필름 형태의 재료를 중첩시켜 구성하므로 형상의 자유도 높아 다양한 형태의 전지를 만들 수 있다. 그러나 리튬이온 전지에 비해 리튬이온 전지에 비해 체적 에너지 밀도가 떨어지며 제조공정이 비교적 복잡하여 가격이 비교적 높다.

현재의 리튬폴리머 전지는 폴리에틸렌 그리콜(Polyethylene glycol)이니 폴리에틸렌 플로라이드(Polyethylene fluoride)으로 구성된 폴리머에 전기분해액을 포함시켜 교질화(겔화)하여, 리튬이온 전지와 비슷하다. 그렇지만 전해질이 준고체상태이기 때문에, 용액이 잘 새어 나오지 않는다. 2차 전지에 비해 상당히 가볍고, 메모리 효과도 매우 적다. 모양도 비교적 자유롭게 만든다.

 리튬폴리머 전지는 음극과 양극 사이의 분리막이 리튬이온 전지에서 전극의 분리역할 외에 이온전도의 매개체, 즉 전해질의 역할을 하는 것이다. 리튬폴리머 전지는 전극재료 및 고분자 분리막의 종류에 따라 구분할 수 있다.

리튬 폴리머 전지의 구조

고분자 전해질

고분자 전해질은 세가지 분류할 수 있다.

1) 순수 고체 고분자 전해질계

2) -고분자 전해질계

3) Hybrid 고분자 전해질계

 순수 고분자 전해질계는 Hydro-Quebec사에서 처음 시도한 것으로 약간의 액체가소제를 혼합하여 제조한다. 이런 전해질은 용매증발 피복법으로 박막을 제조한다.

 -고분자 전해질은 순수-고분자 전해질에 비해 상온에서의 높은 이온전도도가 불량한 기계적 성질을 나타내어 많은 양의 액체가소제와 혹은 용매를 폴리머 매트릭스에 첨가하여 폴리머 호스트구조와 안정한 젤을 형성하도록 한다. -고분자 전해질은 높은 이온 이동도와 높은 저하 수송물질 농도를 만들어 성능 개선이 이루어졌고, 또한 저온특성도 우수하다.

 Hybrid 고분자 전해질은 고분자 매트릭스를 1미크론 미만(submicron)으로 다공성으로 제조하여 유기용매 전해질을 이 작은 기공에 주입시켜 제조한다. 이 작은 기공에 들어간 유기 용매 전해질은 누액이 되지 않고 아주 안전한 전해질로 사용할 수 있다. 이 전해질은 이온 전도도가 유기용매 전해질의 이온 전도도와 같은 특성을 갖고 있고, 용이하게 제작 할 수 있어 장점이다.

전기 화학적 원리

음극과 양극의 활물질(active material)이 리튬이온 전지와 유사하기 때문 전지화학적 원리는 같다. 전지의 작동은 충방전에 의해 리튬이온 양극과 음극 사이를 이동하여 된다. 전지작동에 의해 전극의 변화는 없기 때문에 안정적인 충방전이 가능하다.

 

LIPB는 리튬이온 전지(LIB)의 전극구성과 비슷하며, 단지 전해질만 고분자 전해질을 사용하는 것이 다르다. 전해질은 고체고분자전해질, 유기용매와 염을 고분자에 혼합한 하이브리드 gel 전해질이 있다.

 

 

고분자 분리막

 고분자 분리막은 리튬의 결정성장에 의한 양 전극의 단락을 방지함과 동시에 리튬이온 이동의 통로를 제공하는 역할을 한다. 고분자 전해질의 이온전도도는 과거 10-7S/cm에서 최고 10-5~10-4S/cm 정도로 향상되고 있으나 실용화하기 위한 값인 10-3S/cm에는 못 미치고 있다. 이를 개선하기 위해 전해액을 고분자에 침전된 상태에서 전지를 구동하는 겔형 리튬폴러머 전지의 개발에 집중하고 있다.

 

겔형 고분 전해질의 장점

향상된 이온전도도와 우수한 전극과의 접합성, 기계적 물성, 그리고 제조의 용이함을 들 수 있다.

겔형 고분자는

- poly(ethylene oxide)(PEO)

- poly(acrylonitrile)(PAN)

- poly(methyl methacrylate) (PMMA)

- poly(vinylidene fluoride) (PVDF)이다.

 대표적인 겔형 고분자전해질로서 Bellcore사의 PVDF계 전해질은 vinylidene fluoride(VDF) hexafluoroeethyene(HFP)의 공중합체와 가소제, 그리고 무기첨가제를 혼합하여 필름 성형 후 전해액을 합하여 겔화시키는 공정으로 제조된다.

 

전해질에 의한 전지의 구분

리튬폴리머 전지의 종류

 리튬폴리머 전지는 기존 리튬이온 전지의 양극, 전해액, 음극 중 하나에 폴리머 성분을 사용한 것이며 4가지 종류가 있다.

- 폴리머 전해질 전지 진성 폴리머 전해질 전지

- 폴리머 전해질 전지 겔폴리머 전해질 전지

- 폴리머 양극 전지 도전성 고분자 양극전기

- 폴리리 양극 전지 황산 폴리머계 양극 전지

 현재 양산되는 폴리머전지는 B.(GEL) 폴리머 전해질 전지를 말하며 두 종류로 분류된다.

- 가교 폴리머형(진정한 의미 폴리머전지, 고온에서도 겔 구조 유지 가능)

- 비가교 폴러머형(폴리머 사이의 결합이 물리적인 얽힘이나 약한 수소 결합으로 겔 구조가 해체되기 쉽다)

비가교형 폴리머가 고온에 쉽게 부풀거나 하는 것이 이런 특성을 가지고 있다. 리튬폴리머 전지의 공통적인 특징은 얇은 외장재에 있다. 실제로 폴리머가 들어가서 내부물질의 무게는 기존의 리튬이온 전지보다 무겁지만 외장재가 훨씬 가벼워 전체적으로는 더 가볍다. 그러나 실제 용량은 리튬이온 보다 훨씬 떨어진다. 리튬이온 전지는 부피당 에너지 밀도가 300~350mAh/L, 폴리머전지는 250~300 mAh/L이다. 같은 외형 크기-부피일 때 리튬이온이 용량이 커서 오래 쓸 수 있다. 폴러머 전지에 첨가된 폴리머 전해질의 이온전도도가 액체 전해질보다 훨씬 낮고 반응성이 떨어지기 때문이다.

 그런 이유로 폴리머 전지는 온도가 낮아지면 반응성 더 나빠져서 전지로서의 기능을 발휘하지 못한다. 반대로 고온에서는 리튬이온 전지에 쓰인 액체 전해질의 이온전도도가 폴리머 전해질 보다 높기 때문에 반응속도가 빨라져 폴리머 전지가 조금 더 안전하다.

 특히 90 이상의 고온에서는 어떤 전지든 내부 단락현상이 일어나는데 폴리머전지는 외장재가 약해 옆면에 터져 자연적으로 새는 식으로 폭발이 일어나지만 리튬이온 전지는 외장재가 두꺼워 견딜 수 있는 압력까지 견디지 못해 폭발할 위험 있다. 그러나 현재 시판되는 리튬이온 전지는 고온(90, 130, 150)에서 각종 안전성 테스트, 기계적인 충격에 대한 강도 테스트 등을 거쳐 판매되기 때문에 안전상 문제는 없다. 이런 안전성 테스트는 보호회로 없는 상태에서 시행되며, 보호회로를 부착하는 이유는 사용자의 실수를 다시 한번 방지하기 위함이다. 이 보호회로는 내부단락이 일어나기 전에 모든 반응을 정지시키며 전지를 보호한다.

 외장재가 폴리머전지와 같은 얇은 필름 형태이지만 내부물질은 100% 리튬이온 전지와 같이 ABL-type의 전지가 있다. 이 전지는 폴리머의 가장 큰 장점인 안전성은 보장되지 않는다. 다만 외장재가 가볍기 때문에 전체 중량이 폴리머보다도 조금 더 가볍다. 그러나 반응성이 큰 액체 전해질을 사용한 반면 기존 리튬이논 전지와는 달리 얇은 필름형 외장재를 사용하여 고온에서의 내부압력을 버티지 못하고 공처럼 부풀다가 누설이 발생하는 경우가 있으면 사용상에 안정적이지 못하다. 따라서 고온에서의 반응성을 낮추기 위해 끊는점이 높은 전해질을 사용하기도 하는데 그런 경우 저온에서의 성능이 떨어지게 된다.

리튬 폴리머 전지의 충방전

리튬 폴리머 전지의 특성

고전압(High Voltage)

Lithium ion battery와 같이 평균 전압이 3.7V nickel-cadmium이나 nickel-metal hydride와 같은 다른 2차 전지에 비해 3배 정도 높다.

급속충전 특성(Fast Charge capability)

Constant-current/constant-voltage(CC/CV) 방법으로 충전하는 경우 1~2 시간 이내에 완전 충전이 가능하다.

무공해(Pollution-Free)

소재 물질 중에 환경 오염 물질인 cadmium, lead mercury 등이 들어 있지 않다.

장수명(long cycle life)

정상적인 조건에서 300회 이상의 충방전 특성을 보인다.

메모리 효과 제로(No memory effect)

Nickel-cadmium 전지에서 나타나는 것과 같이 완전 충방전이 되지 않았을 때 용량감소가 생기는 현상이 없다.

리튬이온 대비 안전성 강화

Cell 외부로 전해액이 누액 될 염려가 없고 Polymer양이 상대적으로 Lithium ion battery 보다 많으므로 더 안전하다.

내부 저항이 작음

전극과 격리판이 일체형으로 되어 있기 때문에 표면에서의 저항이 그 만큼 줄어 들어 상대적으로 작은 내부저항을 갖는다.

얇은 배터리 제조

얇은 판상 구조를 가지고 있기 때문에 얇은 cell을 만들기 적당하며 또한 bag을 사용해 package하기 용이하기 때문에 얇은 battery 제조가 가능하다.

유연성

Polymer 함량이 상대적으로 많아 전극 자체만으로도 film의 특성을 가질 수 있다. Cell의 경우도 이러한 film적 특성으로 인해 형상의 자유도가 높다.

제조 형상 자연도 높다

리튬이온 배터리에서의 winding 작업이 없고 여러 장의 film을 겹치는 과정이 존재하므로 film만 원하는 모양으로 자르면 원하는 모양으로 제조가 가능하다.

 

리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지의 형상제조 차이점

1. 리튬폴리머 전지는 판상구조이기 때문에 리튬이온 전지의 공정에서 나오는 구불구불한 작업이 불필요하며, 각형의 구조에 알맞은 모양을 얻을 수 있다.

2. 전해액이 모두 일체화된 셀 내부에 주입되어 있기 때문에 와부에 노출하는 전해액은 존재하지 않는다.

3. 자체가 판상 구조로 되어 있기 때문에 각형을 만들 때 압력이 필요 없다. 그래서 캔(can)을 사용한 것 보다 팩을 사용하는 것이 용이하다.

리튬  폴리머 전지의 구조

<리튬폴리머 전지의 장단점>

장점

초경량 고에너지 밀도

무게 당 에너지 밀도가 기존전지에 비해 월등하여 초경량 전지를 구현

안정성

고분자 전해질을 사용하여 Hard Case가 별도로 필요치 않으며 1mm 이하의 초 slim 전지를 만들 수 있으며 어떠한 크기 및 모양도 가능한 유연성이 있다.

고출력 전압

셀당 평균 전압은 3.6V로 니카드 전지나 니켈수소 전지의 평균전압이 1.2V이므로 3배의 Compact 효과

낮은 자가 방전율

자가방전율은 20에서 한달에 약 5% 미만으로 니카드 전지나 니켈수소 전지보다 약 1/3 수준

환경 친화적 배터리

환경을 오염시키는 카드뮴 및 수은을 사용하지 않음

긴수명

정상적인 상태에서 500회 이상의 충방전이 가능하다.

<리튬이온 전지 및 리튬폴리머 전지의 장단점 비교>

종 류

장 점

단 점

리튬이온 전지

-고용량/고에너지 밀도

-좋은 저온 성능

-외장재의 견고함/기계적 충격 등에 강하다.

-폴리머 전지보다 무겁다.

-금속 외장재의 특성상 일반적으로 4~5mm 이하의 박형 얇은 전지와 넓은 면적 전지를 제조하기 어렵다.

리튬폴리머 전지

-고온 안전성 확보

-얇은 외장재로 인해 경량화 가능

-얇은 외장재-기계적 충격에 약하다.

-저온 성능 저하

용량/에너지 밀도가 매우 낮다

 

리튬폴리머 전지의 이용 분야

- 휴대용 전자기기인 핸드폰, 휴대용 PC, 스마트 기기 등

-  향후 고출력 전지로 설계하여 전기 자전거, 전기 자동차용으로 응용 개발

- 산업-군사용 MAV(micro air vehicle), 의료처치용 분야에서 마이크로 수술 시스템 및 진단 시스템

- 마이크로 로보틱스 분야

리튬 폴리머 전지의 용도

종류

비 고

통신용

휴대폰, PCS, 무선 시스템 등

정보처리용

노트북, PDA(Personal Digital Assistants), Handy terminal

오디오/비디오용

캠코더, 디지털 카메라, 휴대용 오디오 전원용

기타

측정장치, 휴대용 전장품, 전기 자동차 등

 

 리튬폴리머 전지는 휴대용 정보기기의 전력의 심장부로서 폭발 위험성이 없고, 저렴한 가격의 폴리머를 사용하여 전지의 생산단가가 저렴할 뿐만 아니라 필름과 같은 박막형태로 제작이 가능하여 크기나 모양을 다양한 조절할 수 있는 장점이 있기 때문에 앞으로 리튬폴리머 전지의 사용용도 더욱 다양해 질 것이다.

 

리튬폴리머 전지의 개선점

1) 과충방전에 견디기 위해 넓은 전압 범위에서 안정해야 한다.

2) 전지전도도가 높아야 한다.

3) 전극물질이나 전지내의 다른 조성들과 화학적, 전기 화학적 호환성이 요구 된다.

4) 열 안전성이 우수해야 한다(특히 리튬전극과 접촉 시 중요)

리튬 폴리머 전지의 종류

전지 설계 문제의 해결 과제

 음극 용량 및 전지전압 즉 에너지밀도의 저하 없이 리튬음극을 대체 할 수 있는 리튬 함유 음극 물질이 아직까지 뚜렷하게 나타나지 않고 있으며, 단지 유기용매 전해질형 전지에서 사용되고 있는 카본음극이 리튬폴리머 전지에서 대체전극으로 사용되고 있다.

 양극 물질로는 전지 전압이 낮은 TiS2, V6O13, LiV3O8 등과 전지전압이 높은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등이 있다. 이러한 층간 화합물의 고체상에서의 전기전도도와 리튬 확산계수는 복합양극 설계의 최적화에 영향을 크게 미친다.

 더구나 복합양극제조에 있어서 고점 페이스트의 혼합과 피복에 문제가 있다. 이러한 문제는 연속공정으로 전극 두께를 50~100 um 범위로 하고 표면을 매우 매끄럽게 해야 하기 때문에 더욱 심각하게 대부된다. 양극 표면의 불균일성은 전해질의 피복을 나쁘게 하여 전지 내 결합 부위를 형성하게 된다.

 일반적으로 아래의 두 가지 방법이 복합양극제조에 사용되고 있다.

- 용매증발 피복법

- -젤형성 피복법

 용매증발 피복법은 모든 양극 조성물질을 용매에 혼합시킨 후 기판 위에 피복하고 용매를 증발시켜 제조하는 것으로 보통 용매 대 양극 조성 물질 비는 5:1~10:1 정도가 된다. 일반적으로 피복 두께는 용매 증발 속도에 제한을 받는다.

 -젤형성 피복법은 젤-전구체를 사용하기 때문에 더욱 제조가 어렵다. -전구체는 뜨겁고 액체성분의 증발을 제어하기 어렵고, 복사-유도 경화(Radiation-induced curing)가 요구 된다. 카본복합음극인 경우도 복합양극제조와 거의 동일하나, 단지 카본 종류 및 양극 용량에 따른 전극 활물질양, 즉 전극 두께를 설계해야 한다.

 복합음양극의 최적화는 복합음양극 구성 물질, 조성비, 제조공정 등의 조절에 의해 가능하다. 일반적으로 고분자 전해질의 저항은 전체 전지저항의 작은 부분을 차지하며, 전극/전해질 사이의 계면 저항이 전지에 있어서 가장 큰 저항 성분이다.

 비록 이온수송도를 증가시키기 위해 고분자 전해질의 두께를 줄여도 전지저항은 별로 변화하지 않는데 이는 계면 저항이 고분자 전해질의 두께에 관계 없이 존재하기 때문에 계면 저항은 오직 표면적에 관계된다.

리튬폴리머 전지의 향후 개발 과제

 현재 Hybrid 고분자 전해질과 젤-고분자 전해질을 이용한 리튬폴리머 전지가 상용화 단계에 와 있으나 이러한 전지시스템은 전해질로 액체 전해질과 고체 고분자 전해질의 중간형태를 사용하는 것으로 진정한 의미의 전 고체형 전지는 아니다.

 그리하여 향후 복합 고분자 형태의 고체고분자 전해질에 대한 연구가 많이 이루어 질 것으로 예상되는데, 예를 들면 고분자-합금개념의 고체고분자 전해질이다.

 고분자-합금개념은 각 성분들이 서로 화학적으로 작용하는 다성분계 고분자를 의미하는 것으로 이러한 상호작용은 상분리 및 결정화가 일어나지 않도록 충분히 강해야 한다.

 더구나 고분자합금은 고 이온전도도를 유지하면서 전해질 내에 있는 이온들의 이동도를 더 잘 조절할 가능성이 있다. 이외에도 고분자 전해질의 제조공정 및 전지 제조 공정상에서 더욱 많은 진전이 요구되며, 아울러 계면 특성에 대한 연구가 더욱 이루어져야 한다.

 

리튬폴리머 배터리 충방전 과정

LiPo는 기본의 리튬이온 기술을 기반으로 1991년 소니에서 최초 개발. 1995년부터 LiPo라는 이름으로 널리 판매되기 시작했다. 리튬이온 배터리와 마찬가지로, LiPo 전지의 전압은 화학에 의존하는데, LiCoO2와 같은 리튬산화 금속의 경우 최저 2.7V -3.0V(방전), 최고 4.20V-4.35V(완충). 리튬인산화철(LiFePO4)을 기반으로 한경우 1.8-20V (방전)- 3.6-3.8V(완충) 과충전/과방전되면 안된다. 반드시 보호회로를 장착해야 한다.

여러 개가 연결된 LiPo 팩의 경우, 각각의 셀이 동일한 충전상태(SOC - State of Charge)가 되도록 감시할 수 있는 특별한 충전기가 필요하다. LiPo는 케이스가 약하나, 리튬이온 전지 대비 20% 정도 가볍다. 적절한 압력을 가하면 용량유지를 향상시킨다. 부품간의 접촉이 최대화되고 저항과 품질저하의 원인이 되는 층간박리나 변형이 방지되기 때문이다.

원하는 모양으로 가공할 수 있고 용량이 높아서 핸드폰이나 노트북 컴퓨터등에 널리 사용된다.

리튬폴리머 전지의 용도

R/C 항공기나 모형자동차 등에 널리 사용된다. 2013부터 13,000mAh LiPo 팩이 판매중이다.(45C continuous discharge, and short-time 90C bursts.) 4600mAh도 있다. 전기자동차에도 적용 중이다.

 

리튬폴리머 안전도

LiPo 배터리는 리튬이온 배터리와 마찬가지로, 과충전, 과방전, 과열, 회로 과열, 관통 등에 의해 화재를 포함해 엄청난 문제가 야기될 수 있다. 과충전되면 전해질이 약간 증기화되어 부풀어오른다. 이로 인해 층간 박리가 발생. 신뢰성이 저하되고 배터리 수명이 짧아지고, 특히 LiPo의 경우 케이스가 약해서 눈으로도 쉽게 확인 가능하다..

LiPo 배터리에 표시된 숫자 기능 표시

- 전압/셀의 수(Voltage /Cell Count)

LiPo 배터리의 명목적인 전압은 3.7V . 7.4V 2개의 셀을 직렬로 연결(2S : 2 cells in Series)했다는 뜻. 따라서 3S 11.1 V가 된다.

배터리의 전압에 따라 드론의 속도가 결정된다. 전압은 전기모터의 RPM과 비례한다(브러쉬리스 모터는 kV로 표시되는데, Volt RPM을 뜻함). 3500 kV짜리 브러쉬리스 모터는 1볼트당 3500RPM 이 나온다. , 2S 배터리는 25,900 RPM(3500 x 7.4) 이 나온다.

- 용량(Capacity)

총전력량. 휘발유통 크기와 비할 수 있다. 보통 mAh로 나타냄. 한시간에 얼마만큼의 전기를 뽑아낼(drain) 수 있는가 하는 뜻. 보통 모터시스템의 drain Ampere를 기준으로 한다. 숫자가 클 수록 오래 날릴 수 있음. 보통 R/C 카의 경우 5000 mAh 정도를 사용한다. 12,000 mAh 짜리도 시판디고 있다. 다만, 용량이 크면 무게도 무거워지고 열이 많이 나서 화재가 날 수 있다.

 

- 방전률(Discharge Rating, C-Rating)

전압과 용량은 직접적인 효과가 있음. 하지만, C-Rating은 이해하기 힘듦. C-Rating 이란, 배터리에 해를 입히지 않는 범위 내에서 얼마나 빨리 전기를 뽑아낼 수 있는가 하는 기준.

배터리는 20C = 20 x Capacity = 100A 이다. 즉 최대 연속적으로는 100A까지 뽑아낼 수 있음. 요즘에는 Burst Rating 이란 숫자도 있음. 이는 10초동안 뽑아낼 수 있는 최대 총량이다. 대부분 Burst Rating 숫자가 크다. 배터리를 비교할 때는 C-Rating 이 더 중요하다. 대부분의 경우 20-25C 정도면 충분하다.

 

- 내부저항(Internal Resistance)

매우 중요하지만, 어디에도 표기되어 있지 않다. 그 이유는 시간에 따라 변하기 때문이다. 조건에따라온도에 따라 변하기도 한다. 이 값이 높으면 에너지가 모터 등에 도달하기 힘들다. 열손실이 일어난다. (배터리 효율로 볼 수 있음)

 

충전기로 측정가능. 셀별로 따로 측정하는 것도 있으나, 어차피 직렬이므로 모두 더하면 총 내부저항이다. 내부저항은 배터리의 상태와 연관 있다. 배터리를 사용하면 내부에 LiO2가 축적된다. 나중에는 충전이 거의 안되고 열로 빠지는 상태가 된다. 충전하자 마자 방전이 되는 배터리는 바로 이 때문이다. 예를 들어 내부저항이 0.012 옴이라고 할 때, 모터가 65A를 사용한다면 0.78V 나 줄어드는 효과. 이로 인해 RPM 이 떨어지게 됨.

0-6 mΩ 정도면 Good. 7-12mΩ 이면 평균이고, 20mΩ 이상이면 교체를 고려해야 한다.

 

LiPo 배터리 충전(Charging) 방법

반드시 LiPo 용 충전기를 사용해야 함. CC/CV (Constant Current/Constant Voltage)충전이라는 시스템을 사용한다. 최고수준(셀당 4.2볼트)에 오를 때까지 전류(충전률)을 일정하게 유지하는 방식이다.

또한 LiPo용 충전기는 Balancing을 적용한다. 각각의 셀의 전압을 일정하게 유지하는 것이다. 모든 셀의 방전량이 동일하도록 하기 위함이다. 배터리의 성능에 중요하고. 또한 안전에도 중요하다. Balancing 기능이 내장된 충전기를 구입하는 게 좋다.

대부분의 LiPo 배터리는 Balance tab JST-XH 라는 코넥터가 달려있다. 잡을 수 있는 면적이 작다는 단점인데, 플러그를 뽑기 어려워서 코넥트가 뽑히고 쇼트가 발생해서 배터리 망가지는 사고 발생하기도 한다. Balance Protector Clips(AB Clip)를 사용하는 것이 좋다.

대부분의 LiPo 배터리는 NiMH 배터리보다 늦게 충전된다. 보통 3A 이하. 충전에 대해서도 C-Rating 이 있음. 보통 1C이다. 4000mAh 의 배터리라면 4A 이하로 충전해야 함. 요즘엔 충전속도가 빠른 LiPo 배터리가 많이 나와서, 3C까지 있다.

항상 화재 발생 가능성에 대비해야 한다. 소화기로 LiPo 배터리 불을 끌 수 없으나(화학적 반응이기 때문에)불이 번지는 건 막을 수 있다. 이산화탄소 소화기가 효과가 있다. 산소차단 및 온도를 낮추는 효과가 있다. LIPO GUARD 와 같은 전용 백을 준비하는 것도 좋음. 사람 없는 곳에서 충전하지 말아야 한다.

 

LiPo 배터리 방전(Discharging)

배터리를 사용하다 보면 LiO2가 축적되고, 이것이 내부저항을 일으키고 열을 발생시킨다. 요즘 충전기에는 내부저항 측정기능이 있으므로, 이를 관찰, 기록하면 배터리 상태를 관리할 수 있다. 온도가 올라가면 LiO2가 더 많이 쌓이게 된다. 이런 이유로 배터리가 부풀어 오른다. 부풀어오른 배터리를 사용하면 열이 더 많이 나게 되어, 결국 Thermal Runway 라는 과정이 시작된다. ->O2->저항->열이 계속 반복. 결국 산소+수증기+리튬 반응하여 화재 발생하는 한다. 폐기 배터리에 구멍을 내면 위험하다.

대부분 300-400번 충전-방전하면 수명을 다하는데, 과열되었거나 3.0V 이하로 과방전 되었거나, 물리적 손상을 입었거나 습기를 흡수를 하게 되면 훨씬 빨리 수명을 다하게 된다. 절대로 3.0V 이하로 내려가면 안된다.

드론 등의 기기에는 LVC(Low Voltage Cutoff) 회로가 있어서, 일정전압 3.2V 이하가 되면 전원을 차단시킨다. 3S 짜리 배터리라면 9.4V에서 작동됨. 더 작동시키면 배터리를 망가뜨리게 됨. 특히 배터리의 Balancing 이 안되어 있을 경우, 총 전압은 9.4 일지라도 일부는 3.0 이하로 떨어질 수 있어 배터리 수명을 망가 뜨린다. 그래서 Balancing 이 매우 중요하다.

 

LiPo 배터리 보관(Storage) 방법

예전에는 그냥 배터리가 방전 후 보관했지만, LiPo는 절대 그렇게 하면 안된다. 완충된 상태로 보관해서도 안된다. 상온상태에서 3.8V 로 보관해야 함. 요즘 충전기에는 이 상태가 되도록 충전시키거나 방전시키는 기능이 있다.

매번 사용하고 나서는 반드시 보관모드로 두면 좋다. 완충상태로 일주일만 지나도 LiPo배터리는 망가질 수 있다.

배터리 문제는 대부분 잘못 보관하기 때문에 발생한다. 그냥 오랫동안 방치하면 3.0V 이하로 떨어져서 수명 다하게 된다.

 

LiPo 배터리 폐기(Disposal) 방법

1.         가능한 한 전부 방전 후 전압을 낮출 것. 기기에 실어서 끝까지 돌리면 좋다

2.         욕조에 소금물을 풀고, 전기선을 담금. 바로 합선이 된다.

3.         전압측정. 0.0V 인지 확인 후.

4.         폐기해도 된다..

 

 

 

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