[미래산업 분석] 7탄 <2차전지> 시리즈 - 5편 [2차전지 배터리성능 알기]

“주식은 꿈을 먹고 자란다” “주가는 미래가치의 현재가격이다” 라는 말이 있듯이 미래산업에 대한 변화는 금융시장에 큰 영향을 미치게 됩니다. 특히나 정부정책과 관련된 산업은 우리나라의 미래 모습과 밀접한 연관이 있기 때문에 미래산업 분야에 대한 이해는 주식시장의 이해에 큰 도움이 되리라 생각됩니다. 미래 산업분야의 가장 큰 산업이 될 것이 확실시 되는 ‘2차전지’에 대해서 소개하겠습니다. 2차전지에 대한 내용 중 5탄이군요.

 

◆2차 전지에 들어가며

서론이라고 할 수 있는 2차 전지 시장의 발전가능성에 대해서 살펴봤습니다. 워밍업이었죠.

이제 기본 지식은 어느 정도 있으니, 실제로 어떤 기업들이 어떤 기술을 가지고,

어떻게 세계시장으로 나가고 있는지 알아야겠죠.

 

앞서 밝힌 포스팅의 목적상 2차 전지, 그 중 특히 리튬전지에 대한 내용을 심도 있게 나가볼 예정입니다.

옛날처럼 포스코가 철강제품만을 만들지도 않고, Sk에너지가 석유만 정제해서 파는 회사도 아닌 것처럼

리튬전지에 대해서 여러가지 새로운 사실을 알게 되실 겁니다.

지금이야 아무 관련 없다 생각하지만 전기차가 상용화될 10년 후 쯤이면

너무나 상식적인 내용들이 될 것이라 생각됩니다.

 

◆ 배터리 성능 알기

출처: 본인핸드폰

 

휴대폰에 사용하는 리튬이온 배터리 입니다. 3.7V로 되어있네요. 800mAh 3.0Wh가 되어있고요.

800mAh가 용량이죠. 냉장고가 리터 단위를 쓰고, 자동차는 배기량을 쓰는 것처럼

이 수치가 올라가면 배터리를 사용할 수 있는 양이 늘어난다고보시면 되겠네요.

갤럭시S는 1500mAh, 갤럭시탭은 4000mAh라고 하네요.

위에 써있는 배터리의 용량 및 사용법을 제대로 알기 위해서는 기본지식들이 필요합니다.

 

◆ 배터리, PCM, BMS

리튬을 사용한Cell에는 항상 과충전, 과방전, 폭발이라는 단어가 따라다니는데요.

이를 방지하기 위해서PCM, BMS가 필요합니다.

 

PCM은‘Protection Circuit Module’의 약자로서 일정 볼트 이상 충전이 되지 않고

또 일정한 수준이하로 방전이 되지 않게 하는 전압 안정장치의 개념입니다.

그리하여 쇼트(단락)로 인한 온도상승으로 배터리 손상(폭발)을 방지합니다.

그리고 과방전하면 수명이 급격히 줄어드는 리튬계열 배터리의 방전률을 조절합니다.

 

BMS는‘Battery Management System’의 약자로 배터리를 관리하는 회로로서

모든 배터리에 들어가게 됩니다. 이BMS는 과충전, 과방전으로부터 배터리를 보호하고

배터리 셀의 균등 충전을 도와줍니다. 그리고 남은 배터리의 잔량을 측정할 수도 있습니다.

얼핏 생각하면 PCM과 BMS가 같은 것이 아닌가 생각하겠지만. PCM은 하나의 Cell에 장착되고

BMS는 좀 더 진보하여 여러 셀에 대한 컨트롤이 된다고 생각하셔도 무방합니다.

일단 1개의 배터리에 1PCM이라고 보시면 됩니다.

보통 18650 3.7V배터리(원통형)에 이 배터리 각 1개마다

PCM이 장착되어있는 제품을 쉽게 보실 수 있습니다.

사진의 휴대폰용 배터리 팩에는1개의 리튬이온배터리와

보호회로가 같이 묶여 1개의 배터리 팩을 구성하는 거죠.

PCM, BMS에 관한 내용은 뒤에도 나오니, 용어만 알아두시면 되겠네요.

 

◆ 과충전, 과방전, 자가방전

과충전:셀 당 충전 전압이4.5V가 넘는 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되거나

안전밸브에 압력을 가해 셀간의 압력을 높이는 원인이 되어 셀에서 전해질이 누출하게 되고,

즉 폭발의 위험성을 유발하게 되는 원인이 됩니다. 일명 붕어빵 배터리가 됩니다.

 

과방전:과방전 될 경우 주로 음극이 파손되어 배터리를 못쓰게 됩니다. 버려야 합니다.

 

자가방전(self-discharge):전지는 화학물질을 다량으로 함유하고 있기 때문에

오랫동안 사용하지 않고 방치해두면 전지의 성능이 저하되는 현상이 생깁니다.

리튬이온전지의 경우 활 물질에 따라 차이가 나지만

(*활 물질에 대한 자세한 내용은 다음 포스팅에 나옵니다!)

3~5%/월로서Ni계열의 전지보다는 우수한 장기방치 특성을 지니고 있습니다.

 

따라서 오래 사용하지 않고 방치해야 할 경우 방전상태보다는 충전상태에서 보관하는 게 좋습니다.

왜냐하면 자가방전에 의해 과방전된다면 전지를 사용 못하게 되는 경우도 생기니까요.

배터리의 일반적인 보증 기준은 40% 상온에서 1년간입니다

 

◆ 배터리의 수명

앞서서도 말했다시피 배터리는 소모품인데요.

제원에 나오는 싸이클은 ‘완전 방전 후 충전’ 이라는 사이클을 예로 든 것이기 때문에

자주 충전하는 일상에서는 실제로 훨씬 많이 사용할 수 있습니다.

 

아이폰은1년 폰? 아이폰의 배터리에 대한 기사가 많이 뜨는데요. 2007년 하반기부터 아이폰에 장착되는 아이폰 배터리의1/3정도는 삼성SDI에서 공급한 배터리로 추정됩니다. 결국 누워서 침 뱉기랄까요. 스마트폰 배터리의 성능은 비슷할 겁니다. 국내 아이폰만 중국산 배터리를 채용한 것이 들어왔을 일은 없을 거고요. 2년 전 만든 아이폰의 배터리와 지금 만들어지고 있는 갤럭시S의 배터리 비교는 무의미하겠죠. 용량이나 성능의 차이는 분명하니까요. 관련기사: http://goo.gl/S4W7T

 

◆mAh: 배터리 용량표기 단위

이것은 단위 시간당 최대 몇mAh를 사용 할 수 있으며,

또 다른 임의의 전류 값을 사용할 경우 몇 시간을 사용할 수 있다> 라는 것을 의미하는 것입니다.

예를 들면 100mAh의 경우 시간당 10mA의 전류 소모가 있을 경우 10시간을 사용할 수 있으며,

1mA의 전류 소모일 경우에는100시간을 사용 할 수 있음을 의미합니다.

위 사진의 800mAh의 전지는 시간당 1mA가 필요한 장난감의 경우 800시간을 사용할 수 있으며,

5mA가 필요한 플래시에 사용하였을 경우에는 160시간을 이용할 수 있습니다.

갤럭시탭의 4000mAh전지용량은 위에 핸드폰 배터리보다 약5배가 되겠네요.

일부 보조충전장치의 경우11000mAh의 용량을 가진 것도 시중에서 판매되고 있습니다.

 

◆ 공칭전압: 3.7V Nominal Voltage

전지전압의 표시에 쓰이는 전압을 말합니다.사진에 쓰여있는3.7V를 말하죠

일반적으로 기전력보다 약간 낮은 값으로 납축전지는 단전지 당 2.0V,

니켈 수소(Ni-MH)나 니켈카드뮴(Ni-Cd) 전지의 경우에는 1.2V,

리튬이온(Li-Ion)이나 리튬폴리머의 경우에는 3.7~3.8V입니다.

통상 방전 곡선의 중심 값을 공칭전압으로 나타냅니다. 후에 자세한 설명을 더하겠습니다.

 

◆C-rate

1C = 셀 용량 만큼의 전류량
800mAh기준1C는800mA로 충/방전하는 것이고, 2C 라면1600mA로 충/방전하는 것입니다.

이상적인 경우라면1C 방전 시1시간을 사용하고, 2C 방전 시30분을 사용할 수 있어야 합니다.

(커다란 통에 호수를 연결시켜서 물을 빼는 것을 연상하시면 됩니다. 1C면 1개, 2C면 2개)

하지만 현실은 그렇지 않죠. 왜냐하면

 

1) 셀의 보증 용량은 0.2C(5시간 방전) 기준입니다.

즉0.2C 이상의 환경에선 표기용량보다 적게 나옵니다.

 

2) 0.5C이상 방전 시 셀의 성능은 급격히 저하됩니다.

800mAh셀로800mA방전을 시키면 이론상1시간을 사용할 수 있어야 하는데

실제는50분 정도 밖에 못 사용합니다. 문제는 사용횟수가 증가하면 사용시간이 급격히 감소하는 것이죠.

(처음에는 50분, 사용하다 보면 45분, 나중에는30분…)

문제는 고용량으로 갈수록C-rate특성이 나빠진다는것입니다.

제조 업체로써는 비용도 많이 들게 되고 설계상의 어려움도 있지만,

실제 사용하는 곳을 보면 용량 증가 및 칩의 전력소모 감소로 갈수록 사용시간이 늘어나

굳이C-rate를 올릴 필요가 없었습니다. 만약 노트북의 사용시간이2시간이라면 누가 사용할까요.

 

그래서 제품 모델에 따라서 0.5C 이하의 충/방전만 보장하는 제품들이 있습니다.

현실적으로800mA방전이 800에게는 1C방전이지만

1000으로 보면 0.8C가 되고 1000의 0.8C방전이, 800 1C방전보다 안정적일 수 있으니

실제 사용환경을 놓고 보자면 사실 나빠지는 것은 아니죠

 

RC카나 RC헬기 등 고출력을 필요로 하는 배터리의 경우 20C의 배터리도 심심찮게 보입니다.

1시간 쓸 것을 20배 빨리 쓰면서 그만큼 큰 출력을 낸다는 소리입니다.

 

◆ 전압 높이기

보통 노트북에 쓰이는 노트북용 배터리는11.1V의 전원을 필요로 합니다.

리튬배터리는 3.7V인데 어떻게 이 전압을 맞출까요?

 

3개를 직렬로 연결하면 3.7 X 3 = 11.1V의 전압으로 노트북을 구동하게 됩니다.

이렇게 3개로 직렬 연결된 배터리를 2조로 병렬 연결하게 되면

우리가 흔히 알고 있는 노트북의6셀 전지가 됩니다. 3개로 병렬 연결시키면9cell전지가 되겠죠.

 

9개의 cell이 들어가니 전기차의 경우 8000개가 들어간다고 하는데,

약100V의 모터를 구동시키기 위해서는 25개를 직렬 연결시킨 것을 1개의 조로 본다면,

320조의 셀을 병렬 연결 시키면 만들 수 있다는 것입니다.

배터리 제조업체에서 보면 전기차에 공급하는 게 훨씬 이익이겠죠.

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◆ 충전

위에서 리튬전지의 과충전 시 가스발생과 이에 따른 폭발위험성으로 매우 불안하다고 말씀드렸는데

그에 따라서 충전하는 게 위험하다 생각하실지 모르겠네요.

하지만 핸드폰 같은 모바일 기기로 한정해서 본다면 TTA승인을 받은 정품 충전기만 사용하면

모든 불안요소가 해소된다고 보시면 됩니다.

 

그럼 2차전지가 충전되는 방법을 살펴볼 텐데요.

가장 많이 사용하는 방법이 정전압,정전류 충전방식입니다.

 

전지가 많이 방전되어 있을 때는 정전류로 충전을 하다가 충전이 거의 완료되는 시점에서는

정전압이 되면서 과충전을 막아주죠. 일반적으로 전류 값은 최대 1C로 충전을 해줍니다.

가령 800mAh짜리 용량의 리튬전지라면 충전전류는 800mA정도가 최적이죠.

물론 이보다 낮은 것은 상관없습니다. 충전시간만 오래 걸립니다. (위에서 말한 C-rate입니다)

 

충전 전압은 4.2V±0.05V인데 이보다 전압이 높으면 수명이 단축되고,

이보다 낮으면 완충을 못 시켜 경우에 따라서는 0.05V~0.1V보다 낮게 설정하여

수명을 좀더 보장하기도 합니다. 시중에 나온 휴대폰 충전기의 경우 보통 4.15V로 설정하는데,

이렇게 하면 배터리 수명이 조금 더 연장 됩니다.

(4.15V인 이유는 리튬전지의 공칭전압이3.7V이기 때문입니다. 추후에 설명하겠습니다.)

 

따라서 리튬전지의 경우 굳이 완충이 되었다고 충전전류를 끊을 필요가 없습니다.

그래프처럼 충전전압을 4.2V로 맞추어 놓으면 충전이 완료되었을 때

충전전류가 더 이상 흐르지 않기 때문에 과충전 위험이 전혀 없습니다.

 

 

위에서 충전율은 1C로 되어 있는데, 1C로 충전을 하면 대략 1시간충전 됩니다.

 

그래프에서 보다시피 보호회로(PCM)가 없어도 전압(4.2V)만 정확하게 맞춰 주면

과충전 될 우려는 없습니다. 또한, 리튬전지에서 가장 주의해야 할 것은 과방전입니다.

 

CELL전압이 1.8~2V이하가 되면 자칫 CELL자체가 파손되어 더 이상 사용할 수 없게 됩니다.

사실 PCM회로도 과충전 보다 과방전을 막아주기 위한 회로라고 생각하셔도 됩니다.

 

그래서 리튬전지는 꼭 거기에 맞는 충전기를 사용해야 합니다.

위에서 살핀 리튬이온 배터리의 충전 방식은 CC-CV 충전이라고 하는데요.

최초에 충전할 때는 정전류 모드 즉 전압과 무관하게 전류량을 일정하게 하여 충전을 행하다가,

전류량이 충전됨에 따라 동반 상승되어 4.2V에 도달하게 되면 이때부터 CV모드로 충전이 이뤄지는데요.

이때는 4.2V라는 정전압으로 충전되며, 충전기 마다 보통 전류량이 다르지만

CC모드일 때의 1/10 수준으로 충전을 행한 후 4.2V를 초과되는 순간에 충전을 완료 시킵니다.

이렇게 과충전이 방지되는 게 일반적이라 합니다.

 

CC모드일 때 1/10수준의 충전이라는 것은 1000mAh로 충전되다가

그 수준에 도달하면 100mAh으로 충전된다는 거죠.

 

보통 정전압 모드는 4.2V까지지만 정전류 모드는 보통의 리튬이온 배터리 1C 충전입니다.

그래서 같은 C-rate라면 용량이 틀려도 같은 시간에 충전이 되어야 하니까

충전기 정전류 모드의 전류량은 배터리의 총 용량이 어떻게 되는지에 따라 결정되어지는데

컨버터에 전류 수치가 없다면 CC충전이 불가능 해지므로 제대로 충전되지 않게 됩니다.

같은 이야기를 두 번 씩이나 반복하는 이유는

실제 남아도는 핸드폰 배터리나 리포전지 등에 대한 개조를 생각할 때 혹시라도 일반 컨버터로

충전기를 만드는 일을 해보시려는 분들에게 좀 부질없다는 것을 말씀 드리려고 한 것인데요.

내친김에 배터리를 개조하고자 하시는 분들을 위해서 좀더 자세히 설명하겠습니다.

 

①Trickle(미세충전) 단계 전지 전압이 거의 완전히 방전된 상태를 나타낼 때 동작하는데 이때 평시 충전 전류로 충전하게 되면 배터리가 손상되거나 위험한 과열이 될 수 있으므로 정상 충전전류로 충전전에 미세한 전류를 흘려주어 배터리의 상태를 조사하는 개념입니다. 이 때에는 지정된 trickle로 충전하게 됩니다.   ②Constant Current(정전류) 단계 사전조사가 끝난 전지가 완전충전이 안되었다면 바로 CC모드에 들어가게 되는데요. 배터리의 용량에 따른 설정 가능한 전류(보통1~2A)를 지속적으로 공급하게 됩니다.   ③Constant Voltage(정전압) 단계 배터리의 전압이 완충 전압에 도달하게 되면 정전류 단계에서 정전압 단계로 바뀌게 되고, 이에따른 전류는 서서히 감소하게 되어서 설정된 충전 종료전류(End of Charge Current)를 감지하게되면 충전은 종료됩니다. 이를 CV 모드라고 하죠. 때에 따라서 배터리와 병렬로 연결된 부하에 전원공급을 하기위해 충전회로가 정전압 출력을 계속 제공해야 할 때 배터리 전압이 완충상태에서 100mV 정도 떨어지면 충전회로가 다시 CC/CV 단계를 반복하게 됩니다.

출처: Flickr, 인터벳

 

◆ 실생활 충전(TTA 확인)

출처: 한국정보통신기술협회

 

2002년8월 휴대전화와 충전기의 분리판매 실시를 실시하면서 우리에게 가장 친숙하게 된 충전기죠.

이 TTA를 주는 기준을 살펴볼까요?

 

휴대전화 충전기의 시험 표준>

출처: 한국정보통신기술협회

 

박스에 나와있는 spec은 정확히 리튬전지의 특성과 일치합니다.

결국 휴대폰의 전지가 리튬전지라는 가정에서 만든 표준 충전기인 것이죠.

 

◆ 정격전압, 공칭전압, 사용전압

정격전압(rated voltage)

전기기계기구, 선로 등의 정상적인 동작을 유지시키기 위해 공급해 주어야 하는 기준 전압.

제조업자가 제품의 특성에 따라 임의적으로 지정할 수 있으며 우리나라 가전 제품의 경우 공칭전압(nominal voltage: 회로나 시스템에서 사용하는 전압)에 맞추어 통상적으로220V입니다.

어느 지정된 주파수하에 계전기가 어떤 제한도 넘기지 않고

무제한의 시간 성능을 유지할 수 있는 전압으로 제품 설계 시 기재되어 있습니다.

다른 말로는 계통최고전압으로 직렬기기 등에 계통에 적용할 때 가능한 최고 전압입니다.

 

공칭전압(nominal voltage)

중심 값에서 변화하는 규격이나허용오차가 있는 규격인 경우 그 기준 값, 중심 값을 공칭이라고 합니다.

리튬전지3.7V가 공칭전압을 가지고 있기 때문에 실제 범위는4.2V까지 입니다.

따라서, 3.8V짜리 충전기로 충전을 하게 되면 완충이 불가능하고

(TTA인증을 받지 않은 중국산 충전기 등에서 나타납니다.) 최대 충전능력이3.8V가 됩니다.

출처: 코캄

위의 그래프처럼3.4V 아래서는 급격하게 배터리 능력이 떨어지게 됩니다.

C-rate의 비교를 위한 그래프인데 마저 설명하겠습니다.

20C로써 빠르게 방전된다면1C가1시간 동안 방전 되는 것인데,

20C는1/20시간에 방전 되는 것이니 3분만에 방전이 되는 건데요.

방전초기 전압강하가 심하게 일어나며 제대로 사용하지 못하게 됩니다.

이는 리튬전지의 특성이기도 한데요.

배터리의 급속충전과 급속방전은 배터리의 수명을 줄입니다.

 

◆ 사용전압(service voltage)

여러 가지의 운전조건하에서 기기, 전기재료 등에 사용할 수 있는 한도의 정격전압.

전기를 사용하는 각종기기에 공급하는 전압으로

나라마다 전기사용자의 편의를 도모하고자 표준화 되어 있습니다.

 

각 나라별 표준 전압> 한국, 대만: 110/220V 홍콩, 말레이시아: 220V 싱가포르: 230/240V 일본: 100V 미국: 120V

 

나라별 사용 전압은 도입 당시 어느 나라의 영향을 받았느냐에 따라 달라지는데요.

우리나라는 처음 도입될 때, 조선말기 미국의 에디슨 전기회사에서 도입하고,

이후 일제강점기 때 일본에 의해 산업이 개발되면서 100V/60HZ를 사용하다가,

미국과 일본의 가전제품 밀수방지 대책 및 에너지 효율문제로 220V로 승압 하였습니다.

그리고 기존의 100V 제품을 사용하기 위해 220V의 절반인 110V도 사용 중입니다.

우리나라 휴대폰 충전기는 일명 ‘돼지 코’라 부르는 충전용 전원어댑터가 있으면

타지에서도 연결하여 사용할 수 있습니다.

 

◆ 전기차 가상 해부도

아래 이미지는RC카라고 하는 소형 리모트콘트롤 모형차의 구조입니다.

앞으로 생산될 전기차도 이런 기본구조와 별반 틀리지 않을 것입니다.

 

출처: kyosho

위와 같은RC카나 헬기 등을 취미로 가지신 분들은 배터리 충전에 대해서 노하우가 많으실 텐데요.

기본적으로2C1P(셀 2개로 이루어진 배터리 팩)인 리포전지(리튬폴리머전지)를 충전할 때도

불균형이 발생하는 것 때문에 고민이 많다고 하는데,

아마도 모형보다는 실제 전기차의 발전이 빠를 듯 합니다. 국내 대기업이 모형차를 생산할 리 없으니까요.

 

◆ 모터의 능력이 전지의 용량을 좌우

전기차용 모터가 대략100V~400V의 전압으로 작동된다고 하면,

3.7V인 리튬이온전지를100개 직렬로 이어서 배터리 팩을 만들어야 하고,

이 배터리팩에 리튬전지들이 골고루 충전될 수 있도록 하는 ‘BMS 기술’은 과연 쉬울까요?

 

EBS 다큐를 보신 분들은 아시겠지만 겉껍데기인 Body는 가솔린 엔진에서 벗어나는 순간

발열부분이 해결되기 때문에 철강이나 쇠로 된 단단한 프레임이 필요하지 않습니다.

물론 단기간에는 기존의 엔진자동차와의 충돌위험성 때문에 고강도의 바디가 필요하겠지만

시간이 지나면서 점차적으로 경량화된다고 보시면 될 것 같습니다.

 

결국 미래 자동차의 3대 핵심은 모터, 배터리, 전자장치(BMS)가 될 것이라고 생각됩니다.

하지만 향후30년 이상은 현재 내장엔진형태의 자동차의 영향력도 무시하지 못할 것이고요.

 

2차 전지의 가장 쉬운 부분을 살펴보았는데요.

다음 포스팅에서는 전지의 제조공정,

그 다음은 2차전지의4대요소라고 불리는

‘양극제, 음극제, 전해질, 분리막’에 대해서 알아보겠습니다.

 

결론적으로 앞으로2차전지 업계에 대한 개인적인 시각은,

현재 상황 이후 극적인 반전만 없다면

(예를 들면 삼성........................................)

합종연횡을 통한 돌파구 마련 정도로 되지 않을까 생각합니다.

To be continued~

 

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