배터리 성능 저하의 원인

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다양한 배터리 중에서 장치의 각 셀 유형과 하위 종은 사용량 및 기타 요인의 영향을 받아 성능 저하에 대한 고유한 취약성을 가지고 있습니다. 일부 셀은 저온에서 잘 자라지만 다른 셀은 고전류에서 탁월합니다. 그러나 이러한 전문화에는 종종 비용이 발생합니다.

배터리 노후화는 시간(달력 또는 "캘린더" 노후화의 경우) 또는 사용량과 관련되며 충전 및 방전은 "주기적인" 노후화를 나타냅니다.

두 가지 형태의 노화는 이온이 영원히 불쾌한 부반응에 갇히게 되면서 용량과 효율성이 저하되고 내부 저항이 증가하는 원인이 됩니다. 이러한 반응은 다양한 "영향 요인"에 의해 주도됩니다. 일반적으로 이온은 셀의 다른 물질과 비가역적으로 반응하여 수동 잔류물을 형성하고 에너지 전달에 사용되는 것을 방지합니다.

셀 유형에 따라 영향이 달라지는 일반적인 영향 요인에는 배터리 셀의 온도가 포함됩니다. 장치 충전 상태(SOC); 충전 및 방전 중에 사용되는 전류 또는 전력. 충전 상태(배터리의 충전량 또는 에너지)와 관련하여 유휴 SOC는 배터리를 사용하지 않을 때 중요하며 SOC 창(사이클링이 발생하는 범위)은 장치가 사이클링할 때 관련됩니다.

진동 및 압력과 같은 기계적 스트레스는 배터리 성능 저하에 영향을 미치는 또 다른 요소이지만 지금은 위의 세 가지 요소에 중점을 두겠습니다.

온도

온도는 배터리 수명에 중요한 역할을 합니다. 대부분의 세포 화학은 20C 미만의 저온에서 보관하고 유휴 상태로 유지하는 것이 좋습니다. 이는 부반응 가능성을 줄여 달력 노화를 늦추기 때문입니다. 더 높은 온도에서 공회전하면 성능 저하 속도가 크게 증가할 수 있습니다.

반대로, 대부분의 셀 기술은 저온 작동에 매우 민감하여 딜레마를 야기합니다. 30C~40C 이상이 최적 온도보다 낮기 때문에 대부분의 화학 물질에서 배터리 셀 작동에 적합한 온도는 약 15C~25C입니다. 최신 NMC(니켈-망간-코발트) 기반 배터리는 저온 충전에 매우 민감하며 10C 미만에서 충전할 경우 위험한 결함이 발생할 수 있습니다. 왼쪽 그래프에서는 동일한 유형의 고품질 NMC 셀 3개를 보여줍니다. , 작동 온도를 25C(주황색 선)에서 15C(보라색 선)로 10C 낮추면 열화 속도가 약간 향상됩니다. 그러나 10C 낮추면(파란색 선) 배터리가 거의 즉시 파손됩니다.

리튬 도금

리튬 이온(리-이온) 배터리는 일반적으로 안전하지만 특정 조건(추운 온도, 고전류 또는 이미 잘 채워진 호스트 전극)에서는 리튬 도금이 발생할 수 있습니다. 위의 예는 저온에서 도금이 미치는 영향을 보여줍니다. 도금은 리튬 이온이 배터리 셀 내부에 금속 침전물을 형성할 때 발생하는 잔류물의 한 형태입니다. 시간이 지남에 따라 이 프로세스는 축적되어 결국 열 폭주(열과 가스의 빠르고 위험한 방출)를 유발할 수 있는 내부 단락으로 이어질 수 있습니다.

SOC

충전 상태는 배터리 수명에 상당한 영향을 미칩니다. 사용하지 않는 동안의 유휴 SOC(캘린더 노화와 관련됨)와 작동 중 SOC 범위 또는 기간(주기적 노화)이 모두 중요합니다. 다음 예에서는 두 개의 동일한 NMC 셀을 보여줍니다.

아래 그래프는 고품질 NMC 셀의 거의 동일한 두 가지 사용 사례의 성능 저하 진화를 보여줍니다.

둘 다 배터리의 약 50%만 사용하며 첫 번째 사용 사례(파란색 선)는 SOC의 상단 절반에서 완전히 충전되기 시작하여 다시 완전히 충전되기 전에 50%로 떨어집니다. 두 번째 사용 사례(주황색)는 50% 충전된 상태에서 시작하여 거의 비어 있는 상태로 끝납니다. 그래프에서 볼 수 있듯이 성능 저하에 미치는 영향은 엄청납니다. 주황색 ​​배터리는 파란색 배터리보다 수명이 2~3배 더 길어 총 소유 비용이 절반 이상 절감됩니다.

그러나 이는 특정 셀 유형의 예이며 다른 장치와 셀은 완전히 다르게 동작할 수 있다는 점을 강조해야 합니다. 경험상 SOC를 90% 초과 및 10% 미만으로 피하면 일반적으로 배터리 수명이 연장되지만 예외도 있습니다.