주요 시사점:
- 보급 및 운영: 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 메모리 효과가 없기 때문에 널리 사용됩니다. 이는 음극과 양극 사이의 리튬 이온의 가역적 이동을 통해 작동합니다.
- 실패 원인: 배터리 고장의 일반적인 원인으로는 유기 전해질 증발, 분리막 용융, 산소 방출, 제어되지 않은 충전, 저온에서의 급속 충전, 완전 방전 및 제조 결함 등이 있습니다.
- 예방 전략: 배터리 수명을 보장하려면 고품질 셀의 사용, 효과적인 배터리 팩 설계, 안정적인 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요합니다.
- BMS 중요성 및 특징: BMS는 전압, 온도 및 셀 균형을 모니터링하는 데 중요합니다. 셀의 경우 UL 1642 및 IEC 62133, BMS 소프트웨어의 경우 UL 991 또는 UL 1998과 같은 안전 표준을 준수해야 합니다.
리튬 이온 배터리 스마트폰, 노트북, 전기 자동차, 재생 에너지 저장 시스템에 전력을 공급하며 우리 주변에 있습니다.
이 게시물에서는 작동 방식, 이점, 일반적인 고장 원인 및 예방 방법을 포함하여 이러한 배터리의 기본 사항을 살펴보겠습니다.
리튬 이온 배터리를 사용하는 이유는 무엇입니까?
리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 대중화되었습니다. 이 배터리는 부피 및 질량 기반 에너지 밀도 모두에서 납산, 니켈-카드뮴 및 니켈-수소 배터리보다 우수합니다.
니켈-카드뮴 배터리에서 니켈-금속 수소화물 배터리로의 전환으로 인해 리튬 이온 배터리가 널리 사용되었습니다. 이러한 배터리는 가장 높은 에너지 밀도를 제공할 뿐만 아니라 메모리 효과도 없습니다. 이는 전체 또는 부분 충전이나 방전으로 인해 용량이 영향을 받지 않는다는 것을 의미합니다.
게다가 리튬 이온 배터리는 독성이 낮습니다. 특히 리튬 철 인산염 배터리, 코발트와 같은 중금속이 포함되어 있지 않습니다. 또한 대체 화학 물질보다 수명이 길어 다양한 응용 분야에서 신뢰성을 보장합니다.
리튬 이온 배터리는 어떻게 작동합니까?
리튬 이온 배터리와 관련된 안전 문제를 이해하려면 배터리 작동 방식을 이해하는 것이 중요합니다. 다른 전기화학 전지와 마찬가지로 리튬 이온 배터리도 음극과 양극으로 구성됩니다. 양극은 일반적으로 산화리튬이나 인산리튬과 같은 리튬염을 함유하고, 양극은 일반적으로 흑연으로 만들어집니다.
리튬 이온 배터리를 충전하면 리튬 이온(검은색 점으로 표시)이 산화 리튬염에서 흑연 양극으로 이동합니다. 인터칼레이션(intercalation)으로 알려진 이러한 움직임은 이온과 전자 사이의 직접적인 상호작용을 수반하지 않습니다. 대신 전자는 음극에서 양극으로 흘러 흑연의 탄소와 반응합니다.
재충전이 불가능한 리튬 금속 배터리와 달리 리튬 이온 배터리는 리튬 이온의 가역적 삽입이 가능하다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 이 획기적인 혁신으로 John Goodenough와 Stan Winningham이 노벨 화학상을 수상했습니다. 리튬 이온은 유기 전해질 유체를 통해 확산되어 양극과 음극 사이를 앞뒤로 이동할 수 있습니다.
다음 부분에서는 리튬 이온 배터리의 원활한 작동을 돕는 유기 전해질과 그 기능에 대해 더 자세히 살펴보겠습니다.
LCO, LMO, NCA
먼저 리튬이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극과 리튬염에 대해 알아보겠습니다. 우리가 연구할 첫 번째 것은 노트북, 전동 공구, 휴대폰에 널리 사용되는 리튬 코발트 산화물입니다. 배터리가 방전되면 리튬은 리튬 코발트 산화물에서 분리되어 충전기를 통해 양극으로 이동하는 전자를 방출합니다. 이 절차에서는 음극에 산화코발트가 남습니다.
양극재로 사용되는 또 다른 염은 리튬망간산화물이다. 이러한 유형의 음극은 Nissan Leaf에 사용되었으며 Model S, Model 3 및 Model X와 같은 다양한 Tesla 모델에서도 찾아볼 수 있습니다.
마지막으로, 질량과 부피당 가장 높은 에너지 용량을 제공하는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물이 있습니다.
리튬 이온 배터리 고장의 원인
리튬 이온 배터리 고장을 방지하려면 이러한 문제를 일으킬 수 있는 요인을 인식하는 것이 중요합니다. 몇 가지 일반적인 원인을 자세히 살펴보겠습니다.
유기 전해질 증발
리튬 이온 배터리가 너무 뜨거워지면 내부의 유기 전해질이 증발할 수 있습니다. 이 증발은 셀 내의 압력과 온도를 증가시킵니다. 결과적으로 배터리가 부풀어올라 위험한 상황이 있음을 나타낼 수 있습니다.
분리막 용해
리튬 이온 배터리는 일반적으로 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 만들어진 분리막을 사용합니다. 이 분리막은 섭씨 80도(화씨 170~180도) 정도의 온도에 노출되면 녹을 수 있습니다. 분리막이 녹으면 양극과 음극이 접촉하게 되어 내부 단락이 발생하고 추가 열이 발생합니다.
산소 방출 및 통제되지 않은 반응
리튬 이온 배터리가 고온에 도달하면 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물과 같은 양극 재료에 존재하는 산소가 방출될 수 있습니다. 이렇게 방출된 산소는 증발된 전해질과 반응하여 통제할 수 없는 화학 반응을 일으킬 수 있습니다. 지속적인 단락은 상황을 더욱 악화시키므로 이를 즉시 해결하는 것이 중요합니다.
통제되지 않은 요금
배터리를 과충전하거나 제어할 수 없는 충전을 가하면 양극에 리튬 금속이 형성될 수 있습니다. 과잉 전자는 리튬 이온과 결합하여 전해질을 통해 음극으로 성장하는 수상돌기를 형성합니다. 이러한 수상돌기는 내부 단락을 발생시켜 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.
급속 충전 및 저온
매우 높은 전류나 낮은 온도에서 배터리를 충전하면 리튬 이온이 양극으로 이동하는 것을 방해할 수 있습니다. 결과적으로, 과도한 전자가 양극에 축적되어 리튬 금속 도금 및 잠재적인 내부 단락이 발생할 수 있습니다.
완전방전
리튬 이온 셀을 완전히 방전시키지 마십시오. 과방전으로 인해 양극의 구리 집전체가 전해질에 용해될 수 있습니다. 재충전할 때 구리는 재형성될 수 있지만 원래의 포일과 같은 구조는 아닙니다. 이로 인해 구리 도금이 발생하고 내부 단락이 발생할 수 있습니다.
열악한 세포 생산 및 오염
리튬이온 배터리의 고장은 생산 결함이나 제조 과정에서 불순물의 존재로 인해 발생할 수도 있습니다. 이러한 불순물로 인해 배터리에 오염 물질이나 미립자가 유입되어 내부 단락이나 원치 않는 반응이 발생하여 용량 저하가 가속화될 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 고장의 이러한 원인을 이해하고 해결함으로써 우리는 다양한 응용 분야에서 배터리 안전성, 신뢰성 및 수명을 향상시키기 위해 노력할 수 있습니다.
배터리 고장 예방
배터리 산업의 문제를 예방하는 것은 지속적인 성장과 성공을 위해 매우 중요합니다. 문제 발생을 효과적으로 최소화하기 위해 취할 수 있는 세 가지 주요 단계가 있습니다.
무엇보다도 배터리 셀의 품질을 보장하는 것이 가장 중요합니다. 산업이 급속히 확장되면서 특히 중국에는 수많은 셀 제조 시설이 생겨났습니다. 평판이 좋은 제조업체의 고품질 셀을 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 일부 시설은 최첨단 첨단 자동화 프로세스를 자랑하는 반면 다른 시설은 동일한 표준을 충족하지 못할 수도 있습니다. 셀 품질의 선택은 전반적인 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.
배터리 팩의 디자인도 사고 예방에 중요한 역할을 합니다. 배터리 팩은 직렬 및 병렬 구성으로 배열된 여러 셀로 구성되어 원하는 전압 및 전류 용량을 생성합니다. 팩을 설계할 때는 예상치 못한 상황이 발생할 경우를 대비해 효과적인 열 방출을 고려하는 것이 필수적입니다. 팩이 잠재적인 셀 문제에 어떻게 반응하는지 이해하는 것은 안전을 유지하는 데 필수적입니다. 또한 시스템에 상당한 양의 전류 공급이 필요한 경우 안정적인 접점과 회로 기판을 통한 효율적인 분배를 보장하는 것이 무엇보다 중요합니다.
그 중심에는 배터리 관리 시스템(BMS)이 있습니다. 이 장치는 배터리를 보호하는 역할을 하며 전압, 전류 및 온도를 지속적으로 모니터링하여 셀이 안전한 한계 내에서 작동하는지 확인합니다. 모든 리튬 이온 배터리 팩에서 통합 또는 외부 BMS의 존재는 셀을 보호하는 데 매우 중요합니다. BMS는 안전성을 보장할 뿐만 아니라 배터리 수명도 향상시킵니다. 리튬 이온 배터리는 기존 저장 장치보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있다는 점을 고려하면 장기간 사용 시 보호를 우선시하는 것이 중요합니다.
배터리 산업의 문제를 예방하려면 셀 품질, 팩 설계 및 안정적인 배터리 관리 시스템 구현에 세심한 주의가 필요합니다. 이러한 집단적 조치는 리튬이온 배터리의 전반적인 안전성과 내구성에 기여하여 잠재적인 위험을 최소화하면서 산업이 발전할 수 있도록 해줍니다.
배터리 관리 시스템의 중요성
배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하고 제어하는 데 중요한 역할을 합니다. 주요 기능은 배터리가 안전한 한계 내에서 작동하는지 확인하는 것입니다. BMS가 이상 현상을 감지하거나 셀 제한을 초과하는 경우 충전 또는 방전 프로세스를 중단하는 기능이 있습니다.
간단히 말해서 BMS는 배터리의 활력 징후를 주시합니다. 전압 레벨, 전류 흐름 및 온도를 지속적으로 확인하여 모든 것이 제대로 작동하는지 확인합니다. 과도한 발열이나 불규칙한 전압 등의 문제가 감지되면 배터리를 보호하기 위한 조치를 취할 수 있습니다.
BMS의 주요 임무 중 하나는 배터리의 과충전이나 과방전을 방지하는 것입니다. 과충전은 배터리 셀에 손상을 주어 수명을 단축시킬 수 있으며, 과방전은 성능 저하를 초래할 수 있습니다. BMS는 배터리가 적절한 양의 충전을 받도록 보장하고 배터리가 너무 가득 차거나 방전되는 것을 방지합니다.
BMS를 배터리의 수호자로 생각하십시오. 항상 대기 중이며 잠재적인 위험으로부터 배터리를 보호할 준비가 되어 있습니다. BMS는 배터리 매개변수를 모니터링하고 조절함으로써 전체 수명을 연장하고 최적의 성능을 유지하는 데 도움을 줍니다.
BMS에는 어떤 기능이 있어야 합니까?
배터리 팩의 보호와 수명을 보장하기 위한 BMS의 최소 요구 사항에 대한 제 의견을 공유하고 싶습니다.
첫째, 전압 보호가 필수적입니다. 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하는 것이 중요합니다. 셀 손상을 방지하고 수명을 극대화하려면 안전한 전압 범위를 유지해야 합니다. 그런데 셀 수준뿐만 아니라 전체 팩에 대해 팩이 용량을 초과하는 전류를 전달하지 못하도록 하는 것도 고려해야 합니다.
온도 보호는 또 다른 중요한 측면입니다. 온도가 너무 높아지면 잠재적인 위험과 고장이 발생할 수 있습니다. 따라서 고온을 모니터링하고 제어할 수 있는 메커니즘을 갖추는 것이 중요합니다. 마찬가지로, 지나치게 추운 환경으로 인해 양극의 리튬 금속 도금과 같은 문제를 방지하려면 저온 충전 보호 기능을 갖추는 것이 중요합니다.
또한 꼭 필요한 것은 아니지만 유용한 기능 중 하나는 시리즈 내에서 셀의 균형을 맞추는 기능입니다. 병렬 셀은 자연적으로 전류와 전압을 공유하지만 직렬 셀은 그렇지 않습니다. 셀 간에 균일한 충전 상태(SOC)를 유지하려면 밸런싱 메커니즘이나 추가 전류 공유 기능이 필요합니다.
마지막으로, 타사 테스트에 대한 특정 표준을 논의하지는 않았지만 타사 테스트 연구소에서 규정 준수 평가에 사용할 수 있는 기존 표준이 있다는 점은 언급할 가치가 있습니다.
표준
셀, 배터리 팩, 배터리 관리 시스템의 다양한 목록과 관련하여 종종 혼동이 발생합니다. 좀 더 명확하게 해보자. 리튬 이온 셀은 UL 1642 또는 IEC 62133 표준에 따라 테스트되고 등재될 수 있습니다.
반면에 배터리 팩에는 자체 목록이 있습니다. UL 2050 또는 UL 1973에 등재될 수 있으며, 둘 다 전제 조건으로 UL 1642를 준수해야 합니다. UL 1642 자체는 팩 목록이 아니라 이러한 팩 목록의 전제 조건이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
IEC는 셀과 팩 모두에 적용되는 목록을 만들기 위해 IEC 62133을 도입했습니다. 그러나 배터리 관리 시스템(BMS)에도 자체적인 별도 목록이 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다.
하드웨어의 경우 BMS는 UL 991에 등재될 수 있고, 소프트웨어의 경우 UL 1998 또는 IEC 60730-1에 등재될 수 있습니다. UL 991 및 UL 1998은 UL 2054 또는 UL 1973 목록의 전제 조건이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
그러나 귀하의 BMS가 이러한 표준에 포함되지 않은 경우에는 오류가 발생하더라도 위험한 상황이 발생하지 않도록 오류 조건을 사용하여 테스트를 수행해야 합니다.
이것이 표준의 전체 목록이 아니라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 하지만 저는 표준의 존재를 강조하고 몇 가지 설명을 제공하고 싶었습니다.
결론
리튬이온 배터리의 작동 원리를 이해하고 셀 품질, 팩 설계, 강력한 배터리 관리 시스템 등의 요소를 고려함으로써 배터리 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 관련 표준을 준수하고 철저한 테스트를 수행하면 리튬 이온 배터리를 안전하고 효율적으로 활용하는 데 더욱 기여할 수 있습니다.
지속적인 기술 발전과 안전에 대한 초점을 통해 리튬 이온 배터리는 위험을 완화하면서 다양한 애플리케이션에 전력을 공급하면서 전기화된 세계에서 계속해서 중요한 역할을 할 것입니다.
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