전지용량

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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

용량 : 10000 mAh
기준전압: 3.85V
변환율 : >90%
(3.85V를 5V로 변환할때, 즉 충전을 위해 승압하면, 10%손실되고, 90%만 변환된다)
7100mAh 5.0V(TYP 1A) 1A기준으로 용량은 7100mAh
입력전압 5.0V/ 2.0A
출력전압 5.0V/ 2.0A
10000/10180mAh 38.5/39.19Wh(MIN/TYP)
최소(min) 용량 10000일대 전력은 38.5Wh (3.85V * 10000mAh)
기준(typ) 용량 10180일대 전력은 39.19Wh

mAh가 단위 자체는 용량(출력)이지 ‘에너지양’을 뜻하지 않는다.
즉, 같은 용량이라도 기기에 따라 사용시간이 다르다.
양극, 음극의 전위차로 ‘전압’이 결정되고, 전압과 용량을 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

용량과 에너지양, 박철완, 그린카 콘서트

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.

Constant-current constant-voltage (CC-CV) charging procedure 
yellow = charging current (1A to 0A when completed)
blue = cell voltage (3.6V to 4.2V when completed)
green = cell capacity (SOC (State of Charge) from 0 to 100%)
red = shows when the charger changes from constant current to constant voltage

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

Categories: battery

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