리튬 이온 배터리의 용량 감소는 시간이 지남에 따라 어떻게 발생합니까?

고성능 전기 스쿠터, 독립형 객실을 위한 강력한 에너지 저장 시스템 또는 전력 소모가 많은 산업 장비를 구입한 적이 있다면 리튬 이온 배터리를 사용하여 계속 작동했을 가능성이 있습니다. 다년간의 경험을 바탕으로 공급업체로서리튬 이온 배터리 60v 30ah,80v 리튬 배터리, 기타 맞춤형 모델을 사용하는 동안 "내 배터리는 왜 처음 구입했을 때보다 충전량이 적게 유지되나요?"라는 유사한 질문으로 대화를 시작하는 고객이 얼마나 되는지 셀 수 없습니다. 이는 실망스럽고 보편적인 문제이며 리튬 이온 배터리의 작동 방식과 시간이 지남에 따라 배터리를 사용하는 방식에 대한 기본 화학에 뿌리를 둔 문제입니다.

용량 저하, 즉 전기 에너지를 저장하고 전달하는 배터리 능력의 느린 손실은 리튬 이온 기술의 고유한 결함은 아니지만 일관된 성능을 위해 이러한 배터리에 의존하는 모든 사람에게는 중요한 요소입니다. 갑자기 고장이 나는 경향이 있는 납산 배터리와 달리 리튬 이온 배터리는 점진적으로 성능이 저하되므로 전기 오토바이가 정격 30마일 대신 20마일만 충전하거나 백업 전원 시스템이 1년 전보다 절반으로 작동할 때까지 처음에는 용량이 천천히 감소하는 것을 알아차리지 못할 수 있습니다. 이러한 품질 저하의 원인을 이해하는 것은 공급업체인 우리에게 학문적인 것만은 아닙니다. 이는 고객에게 배터리 수명을 극대화하는 방법을 교육하는 데 도움이 되며, 우리가 제공하는 모델을 소형에서 설계하고 테스트하는 방법을 형성합니다.8Ah 리튬 이온 배터리무거운 작업을 수행하는 휴대용 전동 공구용300ah 리튬 이온 배터리그리드 규모의 스토리지용.

용량 손실의 근본 원인을 파악하기 위해 리튬 이온 배터리가 핵심에서 어떻게 작동하는지부터 시작해 보겠습니다. 모든 리튬 이온 배터리 내부에는 두 개의 전극이 있습니다. 양극(보통 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 철 인산염과 같은 리튬 금속 산화물로 만들어짐)과 음극(가장 일반적으로 흑연으로 만들어짐)입니다. 이 전극은 얇은 다공성 막으로 분리되어 있으며 리튬 이온이 양면 사이를 앞뒤로 이동할 수 있도록 하는 액체 또는 젤 전해질에 잠겨 있습니다. 배터리를 충전하면 리튬 이온이 음극을 떠나 전해질과 막을 통과하여 흑연 양극에 박혀 있게 됩니다. 방전하면 과정이 역전됩니다. 즉, 리튬 이온이 음극으로 다시 이동하여 장치에 전원을 공급하는 에너지를 방출합니다.

이러한 이온의 춤은 간단해 보이지만 수백 번의 충전 및 방전 주기가 지나면 배터리 내부에 작고 누적된 변화가 발생하여 속도가 느려지고 저장할 수 있는 전하량이 줄어듭니다. 이러한 변경 사항은 몇 가지 주요 범주에 속하며 배터리 사용 및 관리 방법에 영향을 받는 경우가 많습니다. 우리가 공급하는 배터리와 관련된 예를 들어 하나씩 분석해 보겠습니다.

첫째, 분해의 가장 광범위한 원인은 고체 전해질 간기(SEI)의 형성입니다. 리튬 이온 배터리를 처음 충전하면 양극 표면에 있는 소량의 전해질이 분해되어 얇고 단단한 층을 형성하여 흑연 입자를 코팅합니다. SEI는 매우 중요합니다. 이온 투과성이므로 리튬 이온이 양극을 통과하도록 허용하지만 배터리를 손상시킬 수 있는 전해질과 양극 사이의 원치 않는 반응을 방지합니다. 문제는 이 레이어가 정적이 아니라는 것입니다. 배터리가 충전 및 방전될 때마다 극소량의 리튬이 전극 사이를 자유롭게 이동하지 않고 SEI 층에 갇히게 됩니다. 시간이 지남에 따라 이 갇혀 있는 리튬이 더해져서 장치에 전력을 공급할 수 있는 양이 줄어듭니다. 소규모의 경우24v20ah 리튬 이온 배터리잔디 트랙터의 경우 이는 500회 전체 주기 후에 용량이 10% 감소할 수 있음을 의미합니다. 이는 잔디 깎는 기계가 보충이 필요하기 전에 야드의 절반만 줄일 수 있다는 점을 많은 고객이 알아차리는 것입니다.

두 번째로 큰 요인은 음극 성능 저하입니다. 음극은 배터리를 작동시키는 리튬 이온의 공급원이며 양극만큼 마모되기 쉽습니다. 주기가 지나면 음극을 구성하는 작은 입자가 깨지거나 부서질 수 있습니다. 왜? 음극 안팎으로 이동하는 리튬 이온으로 인해 충전할 때마다 재료가 약간 팽창하고 수축됩니다. 수천 번의 사이클 후에 이러한 반복적인 팽창과 수축은 음극의 구조를 약화시켜 입자가 쪼개지게 만듭니다. 이런 일이 발생하면 일부 리튬은 더 이상 접근할 수 없습니다. 즉, 깨진 입자 안에 갇혀 충전 중에 양극으로 이동할 수 없습니다. 당사와 같은 고전압 배터리의 경우80v 리튬 배터리건설 중장비에 전력을 공급하는 , 이러한 유형의 열화는 고전압 및 고전류 부하에 의해 가속화됩니다. 운영자는 종종 이러한 배터리를 장시간 동안 거의 최대 용량으로 작동하므로 음극 마모 속도가 빨라집니다. 따라서 건설 회사는 단 300사이클 후에 용량이 15% 감소하기 시작할 수 있는 반면, 레저용 배터리는 해당 표시에 도달하기 전에 500사이클 동안 지속될 수 있습니다.

또 다른 일반적인 원인은 리튬 도금입니다. 이는 특히 추운 온도에서 배터리를 너무 빨리 충전할 때 나타나는 문제입니다. 정상적인 충전 조건에서 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하여 흑연 구조에 내장됩니다. 하지만 이온이 이동할 수 있는 것보다 더 빨리 배터리를 충전하거나 배터리가 너무 차가우면 이온이 내장되기 어렵습니다. 대신, 양극 표면에 작은 금속 리튬 침전물을 형성합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 침전물은 수상돌기라고 불리는 바늘 모양의 구조로 성장하여 양극과 음극 사이의 분리막을 뚫고 단락을 일으킬 수 있습니다. 그러나 리튬 도금이 더 작더라도 안전 위험을 초래할 뿐만 아니라 사용 가능한 리튬을 흡수하여 영구적인 용량 손실을 초래합니다. 당사를 이용하시는 고객님께리튬 이온 배터리 60v 30ah전기 자전거의 경우 겨울철에 30°F 이하로 떨어지는 차고에서 자전거를 충전하는 경우 이는 자주 발생하는 문제입니다. 예전에는 2시간 만에 완전히 충전되던 배터리가 이제는 4시간이 걸리고 80%의 충전량만 유지한다고 말하는 고객이 몇 명 이상 있었습니다. 이는 냉간 고속 충전의 리튬 도금에 뿌리를 두고 있습니다.

외부 요인도 배터리 성능 저하 속도에 큰 역할을 하며 이는 사용자가 제어할 수 있는 경우가 많습니다. 온도가 가장 크다. 리튬 이온 배터리는 20°C~25°C(68°F~77°F) 사이의 온화한 실내 온도 환경에서 가장 잘 작동합니다. 여름 내내 직사광선 아래 주차된 닫힌 차에 앉아 있거나 몇 시간 동안 뜨거운 장치에 전원을 공급하는 등 배터리가 너무 뜨거워지면 내부의 화학 반응 속도가 극적으로 빨라져 SEI 형성, 음극 마모 및 리튬 도금이 가속화됩니다. 반대로, 배터리를 극한의 추위에 사용하지 않은 채로 장기간 방치하는 것도 배터리를 손상시킬 수 있습니다. 저는 항상 RV나 보트용 예비 배터리가 있는 고객에게 완전히 충전하거나 몇 달 동안 방전시키는 대신 약 50% 정도 충전된 상태로 서늘하고 건조한 곳에 보관하라고 조언합니다. 완전히 방전된 배터리는 양극 부식이 발생할 수 있는 반면, 열이 있는 완전히 충전된 배터리는 절반만 충전한 배터리보다 훨씬 빠르게 성능이 저하됩니다.

방전 깊이(DoD)도 또 다른 핵심 요소입니다. 방전 심도는 배터리를 재충전하기 전에 배터리의 총 용량을 얼마나 사용했는지를 나타냅니다. 예를 들어, 귀하의 경우300ah 리튬 이온 배터리태양열 저장 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되며 하루에 150ah만 사용하는데 이는 DoD의 50%입니다. 30ah까지 소모하면 90% DoD입니다. 경험상 법칙은 배터리를 더 깊게 방전할수록 배터리 성능이 더 빨리 저하된다는 것입니다. 배터리를 완전 방전에서 방전까지 100% 순환할 때마다 얕은 방전보다 양극과 음극에 더 많은 스트레스가 가해집니다. 신뢰성이 타협할 수 없는 의료 장비나 백업 전원과 같은 애플리케이션에 배터리를 사용하는 고객의 경우 이는 가능한 경우 과방전을 방지하도록 에너지 사용을 계획하는 것을 의미합니다. 우리는 이를 염두에 두고 과방전을 방지하는 보호 회로를 구축하여 배터리를 설계하지만, 여전히 고객과 긴밀히 협력하여 배터리 수명을 연장하기 위해 사용 패턴을 조정하도록 돕습니다.

사이클 수는 이해하기 더 간단한 측정 기준이며, 배터리 데이터시트에 배터리 수명으로 표시되는 경우가 많습니다. 주기는 완전 방전 및 재충전 1회로 계산됩니다. 그러나 주기가 단순히 배터리를 100%에서 0%로 소모하는 것이 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 두 번의 50% 방전(매번 배터리 용량의 50% 사용)도 하나의 전체 주기에 추가됩니다. 대부분의 리튬 이온 배터리는 화학 성분과 사용 방법에 따라 500~1,500회 전체 주기 후에 원래 용량의 약 80%를 유지합니다. 당사의 많은 고정식 저장 모델에 사용되는 LFP(리튬철인산염) 배터리는 전기 자동차 및 휴대용 전력 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 NCA(니켈-코발트-알루미늄) 또는 NMC(니켈-망간-코발트) 화학 물질보다 더 오래 지속되는 경향이 있으며 대개 2,000주기 이상입니다. 우리의8Ah 리튬 이온 배터리예를 들어 전동 공구의 경우 짧은 기간 동안 고전류 드레인을 처리하도록 설계된 NMC 화학 물질을 사용하며 800사이클에서 80% 용량까지 정격이 지정됩니다.

성능 저하가 점진적이며 모든 용량 손실이 영구적인 것은 아니라는 점은 주목할 가치가 있습니다. 때로는 성능이 저하된 배터리처럼 보이는 것이 올바르게 사용되지 않는 경우도 있습니다. 예를 들어, 몇 달 동안 사용하지 않은 배터리는 자체 방전으로 인해 일시적으로 용량이 감소할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리는 한 달에 약 2~3%의 비율로 자체 방전되지만, 완전히 방전된 상태로 보관할 경우 자체 방전으로 인해 양극 부식, 즉 영구적인 손실이 발생할 수 있습니다. 보관 후 신속하게 완전 충전하면 일시적인 용량 감소를 복구할 수 있는 경우가 있습니다.

배터리 공급업체로서 우리의 임무는 단순히 배터리를 판매하는 것이 아니라 배터리가 가능한 한 오랫동안 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다. 우리는 소형부터 모델을 테스트하는 데 수년을 보냈습니다.24v20ah 리튬 이온 배터리고출력 골프카트용리튬 이온 배터리 60v 30ah전기 오토바이의 경우 다양한 사용 패턴이 성능 저하에 어떤 영향을 미치는지 이해합니다. 모든 배송에는 상세한 관리 가이드가 포함되어 고객에게 이상적인 충전 온도, 권장 DoD 수준 및 보관 팁에 대해 조언합니다. 건설 회사나 태양광 설치업체와 같이 대규모 배터리 보유 고객을 위해 당사는 성능 저하를 최소화하고 장기 유지 관리 및 교체 비용을 줄이는 충전 인프라를 구축할 수 있도록 맞춤형 지원을 제공합니다.

결국, 용량 저하는 리튬 이온 기술의 실패가 아닙니다. 이는 배터리 작동 방식의 자연스러운 부분이며 이를 이해하는 것이 투자를 최대한 활용하기 위한 첫 번째 단계입니다. 전기 자전거 한 대를 취미로 사용하는 사람이든, 여러 자재 취급 장비를 관리하는 사업주이든, 주거용 태양광 시스템을 구축하는 설치자이든, 배터리 용량 감소의 원인을 알면 습관을 조정하여 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 귀하의 특정 응용 분야에 맞는 신뢰할 수 있는 리튬 이온 배터리를 찾고 계시고 수명을 최대화하는 방법에 대해 자세히 알고 싶으시면 지금 당사 팀에 연락하여 귀하의 요구 사항에 대해 논의하십시오.

참고자료:

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