전지용량

http://onesixx.com/watt

6-3 전지용량
6-3-1. 서론(Intro, 용량정의)
6.3-2. 전지용량 (부피당 용량)
6.3-3. 전지용량 측정방법 (0.2C-rate, 충방전)

Intro

http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2016/09/30/2016093085003.html
http://www.hongikbattery.com

전지의 용량 = 전지가 가진 전하량
= 활물질이 화학반응을 통해 가역적으로 저장할수 있는 전하량
= 흘려준 전류(A)* 걸린시간(hr)
Ah : 일정한 전류를 얼마나 오랫동안 흘려보낼수 있는가
물통에 들어있는 물을, 일정한 굵기의 파이프로 물을 뽑아낼 경우 몇 시간이 걸리는가

배터리의 용량은  mAh단위로 표현 (학문적 단위는 Q ,coulomb, 1초 1A 전자가 빠져나오는…)
ex) 100mAh의 경우
시간당 10mA의 전류 소모가 있을 경우 10시간을 사용할 수 있으며,
시간당 1mA의 전류 소모일 경우에는 100시간을 사용 할 수 있음을 의미합니다. 
ex) AAA LR03 1.5V 1200mAh의 알카라인 전지
시간당 1mA가 필요한 장난감에 적용 하였을 경우 1200시간을 사용
시간당 5mA가 필요한 장남감에 사용하였을 경우에는 240시간을 이용

mAh가 단위 자체는 용량(출력)이지 ‘에너지양’을 뜻하지 않는다.
즉, 같은 용량이라도 기기에 따라 사용시간이 다르다.
양극, 음극의 전위차로 ‘전압’이 결정되고,
Current(A)*Voltage(V) 전압과 전류을 곱하였을 때 ‘mWh’ 단위를 갖는 ‘에너지양’을 알 수 있게 된다.

1J =1V * 1A * 1s (전류가흘러, 즉 전자가 이동해서 만들어지는 에너지)
전기에너지Wh = V * I * 시간h (몇시간이나 쓸수 있나)

3.85V* 10000mAh = 38500 mWh
5V일때는 38500/5 = 7700 mAh
10%정도 손실을 감안하면 7000 mAh (7100mAh와 비슷)

밀도

부피당/중량당 에너지 밀도 => mWh/l , mWh/g
리튬2차전지는 에너지밀도(Wh/L)는 높지만, 용량(Ah/L)은 낮다.
즉, 용량은 작으나 에너지양이 큰 리튬이온 2차전지는 큰 V 가 특징.
Ni-MH전지는 용량은 비슷하지만, 크기는 작고, 에너지량은 작다

용량 결정요인

제한된 공간에 활물질은 최대한 집접
다른 구성소재는 성능저하없이 최소화

양극(활물질)은 리튬산화물로 리튬이온이 나오기 때문에, 배터리용량(=사용시간)에 영향.
양극(Li+, e-)에 Li+이온은 전해액을 통해, e-전자는 회로를 통해 이동. 따라서 양극의 전하량이 크면 이동할 것도 많아지고, 결과적으로 용량도 커진다.
cf. 음극은 수명, 분리막은 안전

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1.활물질 용량 ▲

용량(Ah/L)

2. 활물질 Tap density ▲

활물질의 용량이 제한적이라면 Tap Density를 높여 용량을 높인다.
Tap Density는 Tapping 한 후 Powder의 Density를 측정하는 방법으로 활물질의 충진률 측정 방법. 즉, 같은 부피에 활물질이 더 많이 들어간다는 의미.
Tap Density를 높이기 위해서는 Powder의 크기를 적절히 조절하면 되는데, Powder가 완벽한 구라고했을때, Powder가 크면 오히려 빈공간이 많이 생겨서 Tap Density는 감소한다.
그렇다고 무조건 Powder 크기가 작으면 빈 공간이 감소하여 Tap Density는 증가할 수 있으나, 표면적이 증가하여 오히려 다른 특성을 저하시킬 수 있다.

3. 활물질 비표면적 ▼

비표면적 (단위 질량당 표면 단면적) 크면,

비표면적: 어떤 입자의 단위부피당 전표면적. (표면적/부피)
비표면적은 해당 입자의 크기나 기하학적모양에 따라 각각 다르게 나타난다.

정육면체 면의 길이가 1이면 부피는 1(1³) 겉넓이는 6 (6*1²)
면의 길이가 2이면 부피는 8 (2³) , 겉넓이는 24 (6*2²)
면의 길이가 3이면 부피는27(3³) , 겉넓이는 54 (6*3²)
면의 길이가 1씩 증가할때, 부피는 세제곱비로 증가하는데 비해서 겉넓이(표면적)는 부피가 증가 하는 만큼 크게 증가하지 못하기 때문에, 입자의 길이가 커질수록, 입자들의 양에 맞는 표면적은 점점 줄어들게 되어, 물질 교환이 효율적으로 이루어지지 않는다
반대로, 부피가 작을수록 그에 따른 표면적은 커진다고 볼 수 있습니다.
표면적이 크면 접촉 면적도 커진다.. 적절한….

4. 분리막(집전체) 두께 및 전해액 공간▼

리튬이차전지_단국대(이철태).pdf

용량측정

CC (constant current) : 전류를 일정하게 입력시켜 전압을 변동시킴
CV(constant voltage) : 전류를 변화시키면서 전압을 일정하게 유지
주사기와 유사(뇌피셜~)

충전의 경우

CC/CV모드
처음부터 무리하게 충전되지 않도록 처음에는 CC로
그다음에는 과전압이 되지 않도록, CV로
급속충전인경우, CC가 짧아진다.

방전의 경우

CC 모드
일정한 전류를

C-rate (방전율, Current rate) 방전시 전류의 최대값을 나타내는 비율
1C는 방전시 최대전류/ 용량

ex> 10000 mAh 용량의 배터리를 1A 방전하면 10시간
10000 mAh 용량의 배터리를 10A 방전하면 1시간
10000 mAh 용량의 배터리를 100A 방전하면 6분

ex> 10000mAh 용량의 배터리를 최대 10A로 방전하면 1시간이 걸린다 = 1C
10000mAh 용량의 배터리를 최대 10A로 방전하면 0.5시간이 걸린다. = 2C
=> 2C 의 역수는 최대전류로 방전하는데 걸리는 시간 (=0.5시간)

10,000mAh용량의 배터리를 0.2C로 방전한다.
2,000mA/ 10,000mAh = 0.2C
즉 0.2C를 기준으로 일정한 온도에서 2,000mA일정한 전류를 방전시킬수 있는 전지의 용량은 10,000mAh

전지 용량을 산출하는 방법

http://www.hongikbattery.com/m/board.html?code=hongik5_board2&page=2&type=v&num1=999990&num2=00000&lock=N

1. 전기에 관한 기초 개념

1) I 전 류 :

회로에서 에너지가 전송되려면 전하(electric charge)의 이동이 있어야 하고, 그런 전하의 이동은 전류를 형성한다.
전류는 회로의 어느 단면을 단위시간에 통과하는 전하의 양으로 정의되며,
MKS 단위는 암페아(ampere)이다.
일정한 율로 t초간에 Q 쿨롱의 전하가 이동하였다면, 이때 전류 I는 다음과 같다.
I = Q/V [amp] 또는 Q=I t [coulomb]
전류의 방향은 관례상 정전하가 이동하는 방향으로 정하고 있다.

2) V 전위차, 전압

단위 정전하가 회로의 두 점 사이를 이동할 때 얻든지 또는 잃는 에너지를 두 점간의 전위차(electric potential difference) 또는 전압(voltage)이라고 하며,
MKS 단위는 볼트(volt)이다.

따라서 Q 쿨롱의 전하가 전위차가 일정한 두 점간을 이동할 때 얻는 또는 잃는 에너지를 W 주울이라고 하면
그 두 점간의 전위차 V는 다음과 같다.
V = W/Q [volt], W = V Q = V I t [joule]

3) 전력

단위시간에 변환 또는 전송되는 에너지를 전력(POWER)이라 하며, MKS 단위는 와트(watt)이다.
따라서 에너지가 수수되는 시간적 율이 일정할 때에는
P = W/t [watt] 또는 [joule/sec], P = V I

4) 전기 소자
-저항 : 이것은 두 단자간의 전압이 단자간을 흐르는 전류에 비례하는 소자이며, 이 비례계수를 저항이라고 하며, MKS 단위는 옴(ohm)이다. 전압-전류 관계를 옴의 법칙(ohm’s law)이라 한다.
i = v/V = GV [amp], V = I R [V]
-인덕턴스 : 파라데이 법칙에 의하면 한 회로에 있어서 자속 쇄교수가 변하면 그 시간적 변화율에 비레하는 기전력이 유기되며 이것을 유기기전력이라 한다. 한 회로의 전류와 이로 인하여 생기는 자속의 쇄교수가 다음과 같은 관계가 있다.
l = L i [weber-turn]
여기서 L은 기울기이며, 회로의 인덕턴스라 하며, MKS 단위는 헨리(henry)이다.
i = 1/L ò vdt [amp], v = L di/dt [V]
-커패시턴스 : 절연체를 두고 대립하고 있는 두 도체간에 전위차가 존재하면 전위가 높은 도체에 정전하, 전위가 낮은 도체에 같은 량의 부전하가 축적된다. 이때 축적되는 전하와 전위차간에 다음 관계식이 성립한다.
q = C v [coulomb], i = C dv/dt , v = 1/C ò idt
여기서 C는 기울기이며, MKS 단위는 패러드(farad)이다.

2. 용량 산출방법

위에서 용량은 커패시턴스로 표시되어 있으며, 다음과 같다.
용량 = 전류(A)*초(sec) [coulomb]

전지에서는 용량을 시간 단위 초(sec)에서 시간(hour)로 바꾼 것이다. 즉
전지 용량 = 전류(A)*시간(hr)
소형 전지에서는 전지용량을 일반적으로 [mAh]으로 표시하는데, 이것은 몇 [mA]로 몇시간 작동하는가를 나타내는 것이다.
일반인이 사용기기에 맞는 전지를 선정하기 위한 일례를 들어 설명한다.

A라는 휴대기기가 있는데, 작동전류는 50mA로 10시간이상 구동한다. 작동 전압은 7.2V 이다.
그러면 Li-ion 2차전지의 작동전압이 3.6V(or 3.7V)이므로 Cell을 2개 직렬 연결하면 7.2V가 된다.
전지용량은 50mA*10hr =500mAh가 나오게 된다. 따라서 전지용량이 500mAh 이상의 전지를 구하여 사용하면 된다.