Li-ion Battery
최근 국내 휴대폰 가입자가 1000만명을 넘어서고 노트북 사용자가 급증하는 등 이동 정보기기가 널리 보급되고 있습니다. 이런 기기들은 모두 내장된 배터리에서 전원을 공급받아 작동하고 있습니다. 배터리는 이동 정보기기에서 아주 중요한 역할을 하고 있지만 많은 사람들이 무관심하거나 혹은 잘못된 지식을 가지고 있어 제대로 활용을 하지 못하고 있습니다. 이에 최근 대부분의 휴대폰이나 노트북 등에서 채택하고 있는 리튬이온(Li-ion) 전지에 대한 상식과 관리법을 정리했습니다.
리튬이온 배터리란?
이러한 전지는 메모리 효과를 가집니다. 리튬이온 전지는 리튬산화물질로 + 극을 만들고, 탄소로 - 극을 만듭니다. 휴대폰을 사용하기 시작하면 + 극의 리튬이온이 중간의 물질을 지나서 - 극의 탄소격자속으로 들어 갑니다. 이때, 극판에 손실이 거의 없기 때문에 장수명 특성을 가진다고 합니다.
메모리 효과란?
니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름으로 나타납니다.
여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, 즉 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰고 또 충전하고 하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비 가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모리효과라고 합니다.
따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법입니다.
그러나 리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않습니다. 오히려 조금쓰고 충전하고 조금쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과(표현이 정확하지 못할지도 몰라요)가 있습니다.
이러한 이유때문에 리튬이온전지가 Ni-계 전지보다 훨씬 비싼데도 더 수요가 늘어나고 사용자가 찾게되는 것입니다.
기본적인 모양은 원통형입니다. 이 원통 하나를 셀이라고 부르는데, 3.6 볼트 전압을 냅니다. 또 다른모양으로 각형이 있습니다. 현재 대부분 사용되는 모양이죠. 각형은 대량생산이 곤란하기 때문에 원통형이 비해서 비싸고, 무게도 무겁다고 합니다.
리튬이온전지를 보면 단자가 4개입니다. 2개는 정말 충전을 위하여 있는 단자입니다.(B+, B-) 나머지 2개는 무엇일까요? 이것은 모니터링 단자입니다. (배터리마다 조금 다릅니다.)
내부에는 조그만 저항이 연결되어 있어서 휴대폰이나 충전기에서 이 배터리는 리튬인지 아닌지, 대용량인지 소용량인지를 구별해 낸다고 합니다. 특히, 똑똑한 충전기의 경우 용량을 판단해서 '2시간내에 충전하려면 얼마나 큰 전류를 흘려야 되는지 계산하여 충전한다고 합니다.
충전기의 충전 방식
전지가 충전된 후 배터리를 계속 두려면 찝찝하죠. 제대로 된 충전기라면 그냥 두어도 상관없으나 잘못된 충전기라면 문제가 될 수도 있습니다.
리튬이온배터리는 특성상 충전시작때 정전류방식을 사용한다고 합니다. 따라서, 충전전류를 일정하게 계속가해주면서 단자전압을 계속 검사합니다. 단자전압이 4.2 볼트까지 상승하면 이때부터 정전압 회로를 구동하여 4.2볼트로 유지합니다. 그렇게 되면 충전전류가 점점 감소하여 '0' 이 되는 것입니다.
따라서 제대로 된 충전기라면 며칠을 그냥 꼽아 두어도 실제 만충전이후에는 충전되지 않습니다. 그러나, 문제는 4.2볼트를 정확히 측정하지 못하는 충전기인 경우 (특히 비품 충전기) 과충전 또는 부족 충전될 가능성이 있습니다.
또 일부 충전기의 경우 정확히 4.2볼트를 측정할 자신이 없는 경우 4볼트 정도에서 정전압으로 바뀌어 만충전되지 못하는 상황이 벌어지기도 합니다.
특히 과충전의 경우 리튬이온 전지 특성상 급격히 수명이 짧아진다고 합니다. (4.2볼트는 1셀일때고, 2셀 즉, 1셀 2개 직렬연결인 경우 2배가 됨)
리튬이온 배터리의 수명
앞서 언급한 바와 같이 리튬이온은 장수명을 가질 수 있도록 설계되어 있지만 수명은 기껏해서 수천회 충방전입니다.
그런데 이것도 무엇으로 리튬이온전지를 만들었나에 따라, 아니면 제작업체의 기술력에 따라 달라집니다. 세계에서 가장 좋다는 일본 소니의 경우 4000회의 충방전에도 원래 용량을 유지한다고 합니다.
그리고 배터리를 사용하는 온도도 중요합니다. 리튬이온 배터리는 열에 매우 약합니다.
문제가되었던 배터리 폭발사건도 모두 노트북의 온도가 너무 높게 올라가 배터리에 작용하였기 때문입니다.
리튬이온 배터리는 열에 매우 약하기 때문에 온도가 높은 곳에서 사용을 하면 더욱 빨리 성능의 저하가 올 수 있습니다.
리튬이온 배터리의 성능이 감소하는 주된 원인은 극 재료로 사용되는 탄소분자의 구조가 변하면서 탄소와 결합하는 리튬이온의 양이 줄어들기 때문인데 여기에 열이 가해지면 그 변화되는 속도가 가속되기 때문에 성능이 급격히 떨어지게됩니다.
리튬이온 전지 오래 쓰는 법
되도록 완충/완방을 하지 않고 조금사용하고 충전하고 하는 것이 더 좋습니다.
보통 전지를 사용하다 보면 용량이 적어진 것을 느낄 수 있습니다. 이때 다시 완충전/방전을 하면 용량이 다시 살아나는 것을 알 수 있습니다. 이것하고 수명을 혼돈해서는 안됩니다.
즉, 용량과 수명은 선형적인 관계가 아니다라는 것입니다.
용량이 다시 살아나는 이유는 복잡하던데, 하여튼 이온이 흘러가는 통로에서 여러가지 이유로 이온중 여러개가 극판까지 도달하지 못하게 되는 것이 많아지게 되는 것입니다. 이때 완충/완방전을 해주면 다시 잘 흐르게 되는 것 입니다. 이것은 용량 문제이지 수명문제가 아닙니다. 앞서 설명하였듯이 리튬이온셀은 일정 전압을 넘어서거나 낮아지면 셀이 손상됩니다.
즉, 과충전과 과방전은 수명에 치명적이라는 것입니다.
결론적으로 장수의 비결은 "사용을 하고 자주자주 충전을 해주는 것" 입니다.
25-20 설정이 있습니다.
노트북의 배터리관리(전원관리) 를 25%남았을때 경고메세지를 발생시켜주고
20%가 남았을때 최대절전모드로 전환되도록 설정해주면 좋습니다.
그리고 노트북에는 표준충전이외에 최대충전 혹은 Max충전이라는것이 있습니다.
이것은 터리의 셀보호를 위해 보통 셀용량의 80%정도를 충전하도록 되어있는데 그것을 넘어서 100%근처까지 충전을 하도록 하는것입니다.
그러나 이렇게 되면 일시적으로 노트북 사용시간은 늘어날수 있지만 배터리관점에서 보면 매우 위험한 것입니다.
바로 과충전의 위험이 있기 때문입니다.
일반적으로 많은 2차전지의 경우에 오랫동안 사용하지 않고 방치해 두면 전지의 성능이 저하되는 경우를 보게 됩니다. 여러가지 원인이 있을 수 있지만 주로 전지의 자기방전에 의해 과방전되어 전지의 성능저하와 수명단축을 가져오게 될 수도 있습니다.
자기방전율 관점에서만 본다면 문의하신 리튬이온전지는 기존의 휴대기기에 가장 많이 사용되었고, 현재도 저가의 상품들에 사용되고 있는 Ni/Cd나 NiMH, 납축전지들보다는 자기방전율이 매우 낮습니다. 예를들면 NiMH는 15%/월인데 반해 리튬이온전지의 경우 (+.-)전극을 구성하는 활물질에 따라 차이가 납니다만 약 3~5%/월 로서 매우 우수한 장기방치특성을 지니고 있습니다. 따라서 오래 사용하지 않고 방치해 둔다면 위에 언급된 전지들 둥 리튬이온 전지가 가장 영향을 적게 받을 것으로 판단됩니다.
그리고 장기간 사용않고 방치해야만 한다면 방전상태에서 보다는 충전상태에서 보관을 하는 것이 좋습니다. 그래야 몇달이 지나도 과방전되어 전지에 치명적인 손상을 주는 일이 일어날 확율이 낮겠지요.
결론 - 리튬이온 배터리를 사용하는법.
리튬이온 배터리는 언제나 화재의 위험을 안고 있는 요소입니다.
그러나, 저는 리튬이온 배터리, 안전하다고 말하고 싶습니다.
단, 다음의 규칙을 지켜야합니다.
- 배터리에 충격을 주지 말아야 합니다.
일상속에서의 충격은 문제가 되지 않습니다.(그리 허술하게 만들어져 있지 않습니다.)
그러나, 강한 충격이나 특수한 상황에서 배터리팩이 파손되어 배터리 내부의 용액이 누수가 된다면 매우 위험합니다. 용액 자체는 매우 불안정하여 손쉽게 발화할수 있기 때문입니다.
노트북은 무게가 나가므로 떨어질때 배터리팩부분이 먼저 닿을경우 충격이 크기때문에
주의할 필요가 있습니다.
- 높은 온도를 피해야 합니다.
앞서 말했듯이 리튬이온 배터리는 열에 약합니다. 특히 배터리 단자등에 금속물체가 닿아 쇼트가 나면 순식간에 열이 발생하여 배터리가 발화할수 있으므로
단자가 밖으로 나와있는 핸드폰등을 주머니에 넣을때는 단자에 금속물질이 닿지 않도록 주의해야 합니다.만약 노트북 사용시 유난히 발열이 많다라고 생각된다면 주의를 할 필요가 있습니다. 이번 사고에서도 일정온도가 되면 노트북의 전원이 자동 차단되는 센서가 작동하지 않은것으로 보입니다. 발열을 줄이기위해 환기구를 막는 침대위,또는 그에 해당하는 곳에서 사용을 자제하고 노트북 쿨러등을 사용하는것도 좋은 방법입니다.
- 정품 배터리와 충전기 사용을 합니다.
앞서 설명하였듯이 정품배터리와 충전기는 배터리의 과충전, 과방전을 효과적으로 제어할수 있습니다. 이런 기본적인 기능이 검증되지 않은 배터리와 충전기는 사고의 원인이 됩니다.
리필된 배터리나 중국산 배터리는 가격이 저렴하다는 장점이 있지만 한번쯤은 생각해봐야합니다.
리튬이온 배터리는 그 내부적으로 불안정한 물질입니다. 하지만, 최신 기기들이 동작하는데
리튬이온 배터리가 가장 최적의 선택이라 사용하지 않을수 없는 현실입니다.
그러므로 앞으로도 리튬이온 배터리 폭발사건이 없으리라는 보장은 없습니다.
그러나, 적어도 '나'에게 만큼은 위의 사항에 유의하여 그런일이 일어나지 않도록 해야할것입니다.
