리튬-이온, 리튬 폴리머 전지와 PCM 회로

 리튬-이온 배터리와 리튬 폴리머 배터리에 대해 알아보다가 

 정리가 잘 된 좋은 글이어서 가져와 봅니다. 

 더불어 배터리를 보호하는 PCM 회로에 대해서도 알아봅니다.

1차 출처 : http://cafe.daum.net/piraja

2차 출처 :  http://auction-korea.co.kr/technote7/board.php?board=jdhg&category=8&command=body&no=106

LI-MH/ LI-PO 밧데리 PCM 회로란?? 

기존의 니켈수소와 니켈망간 등의 1차 전지는 현재 보증된 안전성과 해외 시장진출 및 환경 친화적 원재료 물품 적용 요구로 인해 수출이 제한되어있다.

반면에, 안전 예방조치가 가능한 전지 팩 형태의 리튬이온전지와 "포스트 리튬이온 2차 전지"라는 가치를 내세우면서 시장에 진출한 초박형 차세대 전지인 리튬폴리머전지는 크기와 디자인을 더욱 다양하게 할 수 있어 사용하는 제품의 디자인에도 혁신적인 변화를 줄 수 있고, 안전성이 높은 장점을 살려 휴대폰과 노트북, 컴퓨터, 캠코더 등의 주요 파워소스로서의 역할을 하고있다. 
리튬이온소재의 배터리에는 보호회로가 필수적으로 사용되어야 한다.
배터리 보호 회로란, PCM (Protection Circuit Module)로, 배터리 셀이 과충전(過充電)으로 인한 셀(Cell)당 충전전압이 4.5V를 넘어 설 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생 되거나, 안전 밸브에 압력을 가함으로써 셀 간의 압력이 높아져, 셀에서 전해질이 누출하게 될 경우, 배터리에 피해를 주게 되며 또는 과방전(過放電)으로 인해 음극이 파손되어 배터리의 성능을 저하시키게 되는 현상들로 인해 배터리의 부하를 야기시켜 적용세트에 직접적으로 극단적인 영향을 주는 위험성을 미연에 방지하기 위하여 적용 하는 것이다.


◈ PCM의 필요성 ◈

리튬이온전지 및 리튬폴리머전지는 최적의 성능을 유지하기 위해서는 과충전(過充電) 및 과방전(過放電)으로부터 보호되어야 한다. 셀(Cell)당 충전전압이 4.5V를 넘을 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되거나, 안전 밸브에 압력을 가함으로써 셀 간의 압력을 높이는 원인이 된다. 따라서 셀에서 전해질이 누출하게 된다. 즉, 폭발의 위험성을 유발하는 원인이 된다. 반면, 배터리를 과방전 시킬 경우 음극이 파손되어 배터리의 성능을 저하시킨다. 리튬이온 2차 전지의 위험성을 예방하기 위하여 결과적으로 다음과 같은 기능을 가진 보호회로(PCM)가 필요하다. 

◈ PCM 의 주요기능 ◈
1. 과충전 보호(Overcharge Protection)
과충전으로 인한 과열 또는 폭발로부터 전지의 보호하기 위해서 특정 전압을 넘는 경우 충전을 정지

2. 과방전 보호(Overdischarge Protection)
과방전으로 인한 전지의 손상을 막기위해 특정 전압 이하일 경우 방전을 정지

3. 과전류 보호(Overcurrent Protection)
기기 오류로 인해 전지에 비정상적인 전류의 흐름이 있는 경우 방전을 정지

4. 단락 보호(Short-circuit Protection)
전지 팩의 외부 단락으로 인해 다량의 전류가 흐를 경우 순간적으로 충전을 정지.

◈ 리튬이온 전지 (Lithium Ion Battery) 의 PCM적용 ◈

1912년 G.N. Lewis의 리튬전지 연구를 시작으로 1970년대 초에 최초의 비충전 리튬 전지가 상용화되었다. 1980년대에도 개발은 계속되었지만 안정성의 문제를 해결하지 못하였다.
리튬은 금속 중에서 가장 가볍고, 우월한 전기 화학적 위치를 고수하고 있으며 대용량의 에너지를 제공한다. 재충전 전지의 전극을 리튬 금속으로 사용하면 높은 전압과 풍부한 용량을 제공받을 수 있으며 결과적으로 대단한 에너지 밀집체(密集體)이다.

1980년대 이후 수많은 연구를 통해 리튬의 결정체들로부터 무차별적인 열의 상승에 주의해야한다는 결손 요인을 발견하게 되었고, 1991년 휴대폰에 장착되어 있던 Li-Ion 전지가 폭발하면서 사람의 얼굴에 튀어 화상을 입힌 후에 대량의 재충전 리튬 전지가 일본에 보내지는 Re-call 이 발생되기도 하였다.
그 후, 리튬 금속 고유의 불안정성 때문에 Li-Ion Cobalt Dioxide(LiCoO2)같은 화학물질에서 나온 리튬을 쓰는 비금속 리튬 전지로 연구의 형태가 전환되었다. 비금속 리튬은 리튬 금속보다 에너지 밀도(密度)면에서는 약간 낮으나 안전하였고 충 방전시 확실한 예방조치를 취할 수 있었다.

Li-Ion의 에너지 밀도는 적어도 Ni-CD의 2배 이상이고 부하(負荷) 전류량(電流量)도 상당히 높다. 사실, Li-Ion은 방전 특성 면에서 Ni-CD와 상당히 유사하게 작용하며 쉽게 방전되지 않는 특성을 갖는다.
Li-Ion 전지의 특성상 충 방전시의 최대치는 제한되어야 하며 cell의 온도는 모니터 되어야 한다. 그러므로 각 Li-Ion 전지팩은 충전시 각 셀의 절정 전압을 제한하고 방전시 cell전압이 너무 낮게 떨어지는 것을 보호하는 PCM(Protection Circuit Module)을 갖추게 되었다. 이러한 예방조치로 인하여 과충전으로 인한 리튬금속의 석출 가능성이 배제되었다.

기본적인 Li-Ion의 형태는 2가지로 Coke형과 Graphite형으로 구분되며 대부분의 제조사에서 채택되고 있다. Graphite Li-Ion Cell은 거의 모든 휴대폰과 노트북, 컴퓨터, 캠코더 등의 주요 파워소스로서의 역할을 할 것으로 기대하고 있고 제조사들은 끊임없이 변화하고 있는 Li-Ion 전지의 화학적 성질을 향상시키려 노력 중이다. 


◈ 리튬폴리머 전지 (Lithium Polymer Battery)의 PCM 적용 ◈
최근 들어 "포스트 리튬이온 2차 전지"라는 기치를 내세우면서 시장에 진출한 새로운 전지인 리튬폴리머 2차 전지가 등장해 관심을 끌고 있다. 리튬폴리머 2차 전지는 한마디로 현재 시장을 장악하고 있는 리튬이온 2차 전지인 단점을 보안한 차세대 2차 전지로 정의할 수 있다.

리튬폴리머 2차전지는 양극과 음극 사이에 폴리머 전해질을 끼워넣고 그 외부를 집전체, 외장재 순으로 씌운 구조로 되어 있다. 폴리머 전해질은 모노마, 유기용제, 전해질염 등 3종류의 물질을 혼합해 사용하며 양극에는 2P"O₂를 음극에는 탄소재료를 사용한다.

이 리튬폴리머 2차전지의 장점은 우선 제작할 수 있는 두께에서 리튬이온 2차전지를 크게 앞선다는 점을 들 수 있다. 이 전지는 고체나 겔 상태의 폴리머를 사용하기 때문에 두께를 1㎜이하로 줄일 수 있다. 기존 리튬이온의 두께가 6㎜였던 점에 비추어 보면 6배나 박형화를 실현했다고 볼 수 있다. 이같은 특성은 전지의 크기와 디자인을 더욱 다양하게 할 수 있어 이를 사용하는 제품의 디자인에도 혁신적인 변화를 줄 수 있음은 물론이다. 이 전지는 또 안전성이 높은 장점도 가지고 있다. 
액체전해질을 사용하는 리튬이온 2차전지는 용액이 유출될 경우 발화로 인한 폭발 가능성이 높다. 따라서 출시 초기에 폭발사고를 겪고 보호회로를 부착하고 있는 리튬전지(1차전지)와 마찬가지로 폭발을 방지할 수 있는 보호회로를 부착하는 것이 불가피 하다. 

이와 달리 점성이 높은 겔 상태의 용액을 사용하는 리튬 폴리머 2차전지는 전지에 구멍이 나도 용액이 흘러나오지 않아 리튬이온 2차전지와 같은 발화 위험이 거의 없다. 대형 제품을 만들지 않을 경우 리튬이온 2차전지보다 간단한 보호회로만 있으면 된다. 

◈ PCM ◈

 

◈ Soft Pack◈

 

 다음엔 요즘 유행하는 보조 배터리를 만들어 보는 과정에 대해 기회가 되는 대로 포스팅 해 볼까 합니다. 

 FIN.