메모리효과에 대해서

아이폰 독에 늘상 충전상태로 꽃아두는데 회사 과장님이 그러면 안된다고 계속 나무라셔서 찾아봤다.

나도 평소 궁금했었는데 궁금증 해소~!

글을 잘쓴거 같아서 링크 + 내용까지~

출처 : http://blog.naver.com/davidlee28/20086916401
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요즈음은 노트북부터 휴대폰에 이르기까지 휴대용 제품들의

대부분은 리튬이온 방식의 충전식 배터리를 사용한다. 

여기에 사용되는 리튬이온 배터리는 

기존의 니켈 계열방식의 충전식 배터리처럼 메모리 효과가 있는 것일까?

하는 궁금증을 많이 갖고있는데

이번에는 리튬이온 배터리에 얽인 진실을 알아보자.

 

메모리 효과의 정체는?

메모리효과란 충전식 배터리의 사용(방전)을 많이 하지 않고

중간중간에 충전을 자주하다 보면 화학적으로 전해액의 불활성화영역이

발생되어 배터리의 용량이 감퇴되는 현상을 말한다.

따라서 기존의 니켈계열 배터리의 수명과 용량을 오랫동안 보존하기 위해서는

가급적 방전을 많이 하고 충전을 해야하는

일종의 충반전 배터리 싸이클이 있었다.

 

그런데 리튬이온 배터리는

리튬이온 배터리는 음극(-)의 전하를 가지는 이온화된 리튬이

이동하는 것을 이용해서 전지로 동작하게 돼 있다.

배터리의 양극(+)은 전이금속산화물이란 물질로 이루어져있고

음극은 탄소로 이루어진 물질이다.

배터리는 전해용액으로 채워져있고 두 극이 접촉되는것을 막는

분리막(리튬이온만 이동할수 있슴)으로 구성되어있다.
동작은 리튬이온이 두극사이를 이동하면서

그로인해 전자가 이동하여 충/방전되는 원리이다.

 

LiCoMO2+Cn	⇔	Li1-xCoMO2+CnLix

 

 아래의 그림은 원통형 리튬 이온 전지와 각형 리튬 이온 전지의 구성도이다.

 리튬 이온 전지의 내부는 그림에서 보듯이

미세한 공극(pore)을 가진 polyethylene 필름의 분리막이 시트(sheet) 형태의 양극과

음극 사이에 놓여있는 것을 나선형으로 감은 구조로 되어있다.

양극은 리튬 코발트 산화 금속의 활물질을 리튬 공급원으로 사용하고,

전류 집전체인 알루미늄 호일로 구성되어 있고,

음극은 활물질로서 흑연화 탄소와 전류 집전체인 구리 호일로 구성되어 있다.

전해액은 LiPF6가 용해된 유기용매이다.

또한 리튬 이온 2차 전지는 가혹한 조건하에서 내부압을 방출하기 위한

안전변(safety vent)이 있을 뿐만 아니라

PTC(Positive Temperature Coefficient)와 CID (Current Interrupt Device) 소자가 있어

외부 단락에 의한 급격한 전류를 정상적인 방전 전류로 낮추어주는 역할을 한다.

    
 이러한 기본 원리 때문에

완전 방전되지 않은 상태에서 새롭게 충전을 해도

니켈계열 배터리처럼 완전 방전되지 않은 부분을 더 이상 쓸 수 없게 되는

메모리 효과를 일으켜

전체 배터리의 용량이 줄어드는 일은 없는 것이다.

경우에 따라서는 수시충전/방전이

오히려 수명연장에 좋다는 주장을 하는 견해가 있다.

 

하지만 많은 사용자들은 오랫동안 충방전을 반복하고 나면

용량이 줄어드는 메모리 효과가 있다고 주장하는 사람도 있다.

즉 리튬이온 배터리에도 메모리 효과가 있다는 것이다.

그렇다면 이것은 사실일까?

  

결론부터 말한다면

리튬이온 배터리에는 절대로 메모리 효과가 생기지 않는다.

하지만, 니켈계열 배터리에서 생기는

메모리 효과와 비슷한 현상이 발생하는 일이 생긴다.

리튬이온 배터리의 단점은 과충전을 하면

파열될 위험이 있고 순간적인 방전에도 약하며

지나친 방전을 하게 되면 배터리로써의 기능에 영향을 받는다.

 

그렇기 때문에 이러한 단점을 보완하기위해서 리튬이온 배터리에는

반드시 충방전을 관리하는 칩을 넣게 된다.

이 칩은 리튬이온 배터리의 상태를 항상 관리하는 것이다.

이 칩의 역할은 배터리를 충전하거나 방전할 때 항상 사용 가능한

최대의 용량을 찾아서 기억하고 충방전을 하도록 제어한다.

하지만, 사용자의 충방전 습관에 따라서 

칩이 계산을 하는 포인트에 오차가 생길 수 있다.

 

그리고 이러한 오차가 누적되면 최초로 사용할 수 있었던

배터리의 용량에서 훨씬 떨어질 때도 있다.

이러한 상황에 오게 되면 대부분의 사용자들은

'메모리 효과'로 착각하게 되지만 실제로는

리튬이온 배터리에 내장돼 있는 칩에 오차가 누적된 것이다.


이것을 해결하기 위해서는

칩에 배터리의 정확한 용량을 알려주어야만 한다.

 이것을 유도하기 위해서 단말기를 켜 놓은 상태에서

리튬이온 배터리가 완전히 방전돼 저절로 꺼지게 놓아둔다.

 

그리고 이것을 다시 완전 충전하고, 다시 완전 방전시키기를

약 2회 정도 반복하면 대부분의 칩은 배터리의 원래 용량을 알게 된다.

 

단, 이렇게 해도 배터리의 충전 용량이 회복되지 않는다면,

그것은 배터리 자체의 수명이 많이 닳은 것이다.

리튬이온 배터리는 극 재료로 사용되는 탄소의 분자 구조가 서서히 변화하면서

탄소와 결합되는 리튬 이온의 양이 매우 서서히 감소하게 된다.

이것은 자연적으로 수명이 닳아지는 것이다.

 

500회의 충/방전 사이클은 정말로 있는가?
통상 리튬이온 배터리의 수명은 충방전 사이클 500회 정도로 알려져 있다.

그렇다면 평균적으로 약 2년 정도를 쓸 수 있다는 말인데,

실제로 이러한 충방전 500회의 한계는 있는 것일까?

발라드 파워시스템과 소니 에너지 테크는

리튬이온 배터리의 충방전 사이클에 대해서 이렇게 설명한다.

리튬이온 배터리는 열에 매우 약하기 때문에 온도가 높은 곳에서

사용을 하면 평균 충방전 500회 보다도

더욱 빨리 성능의 저하가 올 수 있다고 경고한다.

 

리튬이온 배터리의 성능이 감소하는 주된 원인은 극 재료로 사용되는

탄소 분자의 구조가 변하면서 탄소와 결합하는

리튬이온의 양이 줄어들기 때문이다.

그런데 여기에 열이 가해지면 그 변화되는 속도가 가속되기 때문에

성능이 급격히 떨어지는 것이다.

리튬이온 배터리의 충/방전 사이클은

구조적으로 어쩔 수 없이 생기는 수명의 한계인 셈이다.

하지만 사용 온도가 적당하다면

그 수명 기간 동안 성능을 모두 발휘할 수 있고,

온도가 높은 곳에서 사용을 하게 되면

그 수명이 빨리 줄어들게 된다는 것이다.

   

그럼 이제 결론을 내리면,

리튬이온배터리를 어떻게 사용하는 것이 오랫동안 성능을 유지시킬 수 있는가?

니켈계열의 배터리와 달리 메모리효과가 없으므로

수시로 충전/방전을 해도 화학적인 용량감퇴는 일어나지 않는다.

따라서 배터리의 바가 2~3개 남아있을 때 충전을 해도 문제가 없다.

 

그러나 이는 리튬이온의 순수한 물리적인 특성이고

우리는 불안정한 소재인 리튬이온을 배터리로 사용하기 위해서

각종 보호장치와 칩이 내장된 배터리팩을 사용한다.

 

따라서 위에서 언급한 것처럼

수시충방전을 자주하다 보면 칩에 용량에 대한 누적오차가 쌓여서

충방전에 대한 에러가 발생하여 마치 용량이 감퇴한 것처럼 보인다.

 

그러므로 다시 원점으로 돌아가면

리튬이온배터리팩은 용량의 80~90%까지 사용하고

충전하는 것이 배터리의 초기특성을 가장 오래 유지하는

방법이라고 생각한다.

 

왜냐하면,

첫째로 리튬이온은 과방전으로 전압이 2.7V이하가 되면

구리전극에 산화가 일어나 문제가 발생하는데

용량의 80~90%정도의 방전이 되도 전압은 3.9V이상이므로 문제가 없다.

 

둘째로 극전극의 탄소분자의 변화는 시간에 따른 자연발생적이긴 하지만

충방전에 따른 배터리의 열상승은 피할 수 없는 부분이다.

이 열은 탄소분자의 변화를 가속화시켜 배터리의 성능을 저하시키므로

따라서 잦은 충방전이 역시 좋을 건 없다.

 

세째로 배터리팩 내부의 칩에 저장되는 배터리용량의 정보의 오류가

적어지므로 최상의 충방전제어를  할 수 있기 때문이다.

 
참고로,

2년정도 사용한 캠코더용 리튬이온 배터리팩 F570이

초기의 50%정도 용량밖에 안되는 것 같아서 

완전에 가깝게 충방전을 하는 실험을 해본 결과에 의하면,

3회차부터 용량이 늘기 시작해서

6회 완전충방전을 하고나니 거의 초기의 용량으로 되돌아 왔다고 한다.

  http://cafe.naver.com/dv6mm.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=152

  

  

[출처] 리튬이온배터리도 메모리효과가 있다?|작성자 davidlee28