배터리는 하드웨어에서 가장 중요한 전자 장치입니다. 하지만 하드웨어에 적합한 맞춤형 리튬 이온 배터리를 선택하려면 어떻게 해야 할까요?
이 기사에는 질문을 보여주는 두 부분이 포함되어 있습니다. 1부에서는 소비자 애플리케이션에 적합한 배터리를 선택할 때 중요한 고려 사항에 대해 설명합니다. 여기에는 재충전 가능성, 에너지 밀도, 전력 밀도, 보관 수명, 안전성, 폼 팩터, 비용 및 유연성이 포함됩니다. 2부에서는 화학적 성질이 중요한 배터리 지표에 어떤 영향을 미치는지 살펴보고 이에 따라 애플리케이션에 맞는 배터리 선택을 수행합니다. 3부에서는 일반적인 2차 전지 화학을 살펴보겠습니다.
배터리 선택 시 고려해야 할 몇 가지 중요한 사항은 다음과 같습니다.
1. 1차 대 2차 – 배터리 선택 시 가장 먼저 선택하는 것 중 하나는 애플리케이션에 1차(일회용) 배터리가 필요한지 또는 2차(충전식) 배터리가 필요한지 결정하는 것입니다. 대부분의 경우 이는 디자이너에게 쉬운 결정입니다. 가끔 간헐적으로 사용하는 애플리케이션(예: 화재 경보기, 장난감 또는 손전등)과 충전이 불가능해지는 일회용 애플리케이션에는 기본 배터리 사용이 필요합니다. 보청기, 시계(스마트워치는 예외), 인사말 카드, 심장 박동기 등이 좋은 예입니다. 노트북, 휴대폰, 스마트워치 등 배터리를 장기간 지속적으로 사용해야 하는 경우에는 충전식 배터리가 더 적합합니다.
1차 배터리는 자체 방전율이 훨씬 낮습니다. 이는 처음 사용하기 전에 충전이 불가능하거나 실용적일 때 매력적인 기능입니다. 2차 전지는 더 높은 비율로 에너지를 잃는 경향이 있습니다. 이는 재충전 기능 때문에 대부분의 응용 프로그램에서는 덜 중요합니다.
2. 에너지 대 전력 - 배터리 사용 시간은 mAh 또는 Ah로 표시되는 배터리 용량에 따라 결정되며 시간이 지남에 따라 배터리가 제공할 수 있는 방전 전류입니다.
서로 다른 화학적 특성을 지닌 배터리를 비교할 때 에너지 함량을 살펴보는 것이 유용합니다. 배터리의 에너지 함량을 얻으려면 배터리 용량(Ah)에 전압(Wh)을 곱하면 됩니다. 예를 들어, 1.2V의 니켈수소 배터리와 3.2V의 리튬이온 배터리는 용량이 동일할 수 있지만 리튬이온의 전압이 높을수록 에너지가 증가합니다.
개방 회로 전압은 에너지 계산(즉, 부하에 연결되지 않은 경우의 배터리 전압)에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 용량과 에너지 모두 배수율에 크게 좌우됩니다. 이론적 용량은 활성 전극 재료(화학) 및 활성 질량에 의해서만 결정됩니다. 그러나 실제 배터리는 활성 물질의 완전한 사용과 전극에 방전 생성물의 축적을 방지하는 비활성 물질의 존재와 운동학적 한계로 인해 이론적인 숫자의 일부만 달성합니다.
배터리 제조업체는 종종 주어진 방전 속도, 온도 및 차단 전압에서 용량을 지정합니다. 지정된 용량은 세 가지 요소 모두에 따라 달라집니다. 제조업체의 용량 등급을 비교할 때 특히 배수율을 확인하십시오. 사양서에 고용량으로 표시되는 배터리는 애플리케이션에 대한 전류 소모가 더 높을 경우 실제로 성능이 저하될 수 있습니다. 예를 들어, 20시간 방전 시 2Ah 정격 배터리는 1시간 동안 2A를 공급할 수 없으며 용량의 일부만 제공합니다.
고전력 배터리는 전동 공구나 자동차 스타터 배터리 애플리케이션과 같이 높은 소모율에서 급속 방전 기능을 제공합니다. 일반적으로 고전력 배터리는 에너지 밀도가 낮습니다.
전력 대 에너지에 대한 좋은 비유는 주둥이가 달린 양동이를 생각하는 것입니다. 더 큰 양동이는 더 많은 물을 담을 수 있으며 에너지가 높은 배터리와 유사합니다. 물이 물통에서 나오는 입구 또는 주둥이 크기는 동력과 유사합니다. 동력이 높을수록 배수율도 높아집니다. 에너지를 높이려면 일반적으로 배터리 크기를 늘리지만(특정 화학 물질에 대해) 전력을 높이려면 내부 저항을 줄입니다. 셀 구성은 출력 밀도가 높은 배터리를 얻는 데 큰 역할을 합니다.
배터리 교과서에서 다양한 화학 물질에 대한 이론적이고 실제적인 에너지 밀도를 비교할 수 있어야 합니다. 그러나 전력 밀도는 배터리 구성에 크게 의존하기 때문에 이러한 값이 나열된 경우는 거의 없습니다.
3. 전압 – 배터리 작동 전압은 또 다른 중요한 고려 사항이며 사용되는 전극 재료에 따라 결정됩니다. 여기서 유용한 배터리 분류는 수성 또는 수성 배터리와 리튬 기반 화학을 고려하는 것입니다. 납산, 아연 탄소 및 니켈 금속 수소화물은 모두 수성 전해질을 사용하며 공칭 전압은 1.2~2V입니다. 반면에 리튬 기반 배터리는 유기 전해질을 사용하고 공칭 전압이 3.2~4V(1차 및 2V 모두)입니다. 중고등 학년).
많은 전자 부품은 최소 3V의 전압에서 작동합니다. 리튬 기반 화학 물질의 작동 전압이 높기 때문에 원하는 전압을 구성하기 위해 직렬로 2~3개의 수성 기반 셀을 사용하는 대신 단일 셀을 사용할 수 있습니다.
주목해야 할 또 다른 점은 아연 MnO2와 같은 일부 배터리 화학 물질은 경사진 방전 곡선을 갖는 반면 다른 것들은 평평한 프로파일을 갖는다는 것입니다. 이는 차단 전압에 영향을 미칩니다(그림 3).
그림 3: 배터리 화학을 기반으로 한 전압 플롯
화학에 대한 VTC 전원 전압 플롯 배터리
4. 온도 범위 - 배터리 화학에 따라 애플리케이션의 온도 범위가 결정됩니다. 예를 들어, 수성 전해질 기반 아연-탄소 전지는 0°C 이하에서는 사용할 수 없습니다. 알칼리 전지도 이 온도에서 용량이 급격히 감소하지만 아연-탄소보다는 적습니다. 유기전해질을 적용한 리튬 1차전지는 -40°C에서도 작동이 가능하지만 성능이 크게 떨어진다.
충전식 애플리케이션에서 리튬 이온 배터리는 약 20°~45°C의 좁은 범위 내에서만 최대 속도로 충전될 수 있습니다. 이 온도 범위를 벗어나면 더 낮은 전류/전압을 사용해야 하므로 충전 시간이 길어집니다. 5° 또는 10°C 미만의 온도에서는 열폭주 위험을 증가시키는 끔찍한 리튬 수지상 도금 문제를 방지하기 위해 세류 충전이 필요할 수 있습니다. 결과적으로 리튬 기반 배터리가 폭발한다는 이야기를 모두 들어왔습니다. 과충전, 저온 또는 고온 충전, 오염 물질로 인한 단락).
기타 고려 사항은 다음과 같습니다.
5. 유효 기간 – 이는 배터리가 사용되기 전에 창고나 선반에 보관되는 기간을 나타냅니다. 1차 배터리는 2차 배터리보다 수명이 훨씬 깁니다. 그러나 2차 배터리는 재충전할 수 있는 능력이 있기 때문에 일반적으로 1차 배터리의 유효기간이 더 중요합니다. 재충전이 실용적이지 않은 경우는 예외입니다.
6. 화학 - 위에 나열된 많은 특성은 세포 화학에 따라 결정됩니다. 이 블로그 시리즈의 다음 부분에서는 일반적으로 사용 가능한 배터리 화학에 대해 논의하겠습니다.
7. 물리적 크기 및 모양 – 배터리는 일반적으로 버튼/코인 셀, 원통형 셀, 각형 셀 및 파우치 셀(대부분 표준화된 형식)과 같은 크기 형식으로 제공됩니다.
8. 비용 - 애플리케이션이 비용에 매우 민감하기 때문에 더 나은 성능 특성을 갖춘 배터리를 포기해야 할 때가 있습니다. 이는 특히 대용량 일회용 응용 분야에 해당됩니다.
9. 운송, 폐기 규정 - 리튬 기반 배터리의 운송이 규제됩니다. 특정 배터리 화학 물질의 폐기도 규제됩니다. 이는 대용량 애플리케이션의 경우 고려할 사항일 수 있습니다.
10. 제조업체의 리튬 배터리 안전성. 일부 제조업체에서는 대량 생산 전에 자체적으로 안전성 및 신뢰성 테스트를 수행하지도 않았습니다. 이는 최종 응용 분야에서 큰 위험을 초래합니다.
배터리를 선택할 때 고려해야 할 사항이 많습니다. 이들 중 일부는 화학과 관련되어 있고 다른 일부는 배터리 설계, 구성 및 제조업체의 역량과 관련되어 있습니다. 가장 경험이 풍부한 리튬 이온 배터리 제조업체를 선택하는 것이 가장 중요합니다. VTC Power Co.,Ltd는 20년 동안 리튬 이온 배터리 제조를 전문으로 하고 있으며 당신에게 최고의 제안을 해주세요!
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