충전용 배터리 관련 자료-2

일반적으로 과학적 자료로 인정되고 있는 NiCd 전지의 수명은 충방전 1,500회이다. 이 말은 매일 1회씩 충방전을 한다면 약 5년이며 이틀에 한 번씩 충방전을 하면 약 10년이 수명이라는 것이다. 그런데 전지를 잘 충전시키고 방전시켜 적절히 관리해서 사용하면 약 4,000회의 수명이 가능하다는 것이며, 심지어 지금 15,000회의 충방전도 가능하다는 것이다. 즉, NiCd 전지는 반영구적 아닌 거의 영구적으로 사용할 수 있다는 말이 된다. 그런데 주위에서 사용되는 NiCd 전지는 1~2년을 버티지 못하고 망가져 사용할 수 없어 버려지고 있으며, 심지어 국내의 어떤 제조/판매 업체는 과학적 자료의 ⅓밖에 안 되는 "충방전 500회 이상 가능"이라고만 제품 표지에 표기하고 있다.

이렇듯 반영구적인 니켈 전지가 무심코 버려지고 있는데, 과연 버려지는 전지는 진짜로 사용할 수 없는 것인가 하는 의문을 갖게 한다. 본사에서 폐기된 무선전화기용 단위전지 3개로 구성된 니켈카드뮴(Nickel Cadmium, NiCd) 전지 팩의 회복에 관한 연구를 하였는데, 그 결과, 폐기된 전지 팩의 약 ⅔는 단위전지들을 분리하지 않고 원상태 그대로 복구가 가능하여 원래 목적과 기능으로 다시 사용할 수 있으며, 나머지 ⅓중 약½은 단위전지 상태로 분리하여 복구가 가능하였다. 시료는 1999년 1월에 테크노마트에서 수집하였고 복구에 사용한 기준은 표기 용량의 80%까지 였고, 회복 방법은 Cadex C7000에 의한 직렬 회로에서의 회복 및 다중 방전기에 의한 개별 방전을 활용하였으며, 방전률 1C로 C7000 전지분석기에서 용량을 측정하였다.

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주) 본문에서 전지는 "battery"를 의미하며, 단위전지는 "cell"을 의미한다. 전지는 더 작은 전지나 단위전지로 구성되어 있다.

I. 단위전지 기능부전

일반적으로, 충전용 전지 특히 니켈 전지의 기능부전(malfunction)으로 기억(메모리)이 문제라는 것을 많이 인식하고 있는 듯하다. 그래서 많은 사람들이 이를 해결하는 방법으로 전지를 방전시켜야 한다고 생각하고 있다. 그러나 여러 개의 단위전지들로 구성된 전지 팩인 경우는 이 문제와 아울러 단위전지들 사이의 불균등이 더 큰 문제이다.

II. 기억(메모리)

기억이라는 단어는 처음에, 니켈카드뮴(NiCd) 전지가 이전의 방전에서 얼마나 많이 방전했는가를 기억할 수 있다는 현상인 주기 기억(cyclic memory)에서 유래되었다. 그러나, 전지 과학 기술이 향상되어 사실상 이 현상이 제거되었고, 주기 기억의 영향이 너무 작아 오로지 민감한 기계로만 검출할 수 있다는 것을 밝혀졌으며, 같은 전지를 여러 시간 동안 방전시키면, 주기 기억 현상은 더 이상 검출할 수 없다고 한다.

현재 NiCd 전지의 문제로 말하는 기억은 주기 기억이 아니라 "전해질의 결정질 형성(Crystalization of Electrolyte)"을 의미한다. NiCd 전지의 유효 재료인 니켈과 카드뮴은 미세하게 갈라진 결정으로 존재한다. 단위전지의 상태가 좋다면, 이 결정들의 크기가 작아서 표면적이 최대이다. 기억 현상이 일어나면, 결정들의 크기가 커져, 표면적이 급격히 감소한다. 그러면, 전압이 떨어져 성능이 감소한다. 약간의 용량이 남아 있을 수 있지만 전지의 전압 유지 능력이 낮기 때문에, 회복시킬 수는 없다. 이런 상태에서 더 진행하면, 결정들의 날카로운 가장자리는 양극판과 음극판 사이에 있는 격리판을 꿰뚫어 버려, 자가-방전이 커지거나 양쪽 극판 사이에 합선을 일으킨다. 이렇게 되면 전지는 더 이상 사용할 수 없다. 충전하여 오래 보관하면, 전해질은 서서히 결정화된다. 그래서 서서히 작동 시간은 짧아진다.


III. 단위전지 전위의 불균등 ; 과방전(over-discharge), 단위전지 반전(CELL REVERSAL)

단위전지들을 직렬로 연결하여 만든 충전용 전지는 사용하는 도중 직렬로 연결된 단위전지들의 에너지 수준이 다르게 방전된다. 사용한 후 이런 상태에서 다시 충전하게 되는데 그러면 충전된 단위전지의 에너지 수준 역시 다르다. 이런 상태에서 충전과 방전이 반복되면, 전지를 구성하는 여러 개의 단위전지 중 몇 개는 과방전이 되어 사용말 전압가 0.1볼트 이하가 된다. 이런 상태에서 사용자가 무심코 전지를 방전시킨다든지 계속 사용하면 이런 단위전지들은 전위가 바뀌는 단위전지 반전 현상도 나타난다. 특히 니켈카드뮴과 니켈수소화금속(Nickel Metal Hydride, NiMH) 인 경우, 이런 상태에서 충전을 하면, 이런 단위전지들이 충전 상태에 도달하기 전에, 다른 전지가 충전 완료 신호를 보내 충전기는 충전을 완료한다. 그렇지 않으면, 과방전된 단위전지가 완전 충전 상태가 되기 전에, 다른 단위전지는 과충전 상태에 도달하게 된다. 즉, 어떤 단위전지는 [불완전 충전] → [과방전 또는 단위전지 반전]을 반복하며, 다른 전지는 [완전 충전 또는 과충전] → [불완전 방전]을 반복하게 되어 결국, 단위전지들은 손상을 받는다. 과방전하는 단위전지들은 때때로 단위전지 반전 현상에 의해, 불완전 방전을 하는 단위전지들은 전해질이 결정화되는 기억 현상에 의해 손상을 받아 결국 사용할 수 없는 상태가 된다. 이런 상태에서 단위전지는 때때로 충전되지 않아 사용할 수 없게 되기도 한다.

과방전의 경우, 전위가 없는 단위전지에 전류를 계속 흘리면, 단위전지 내부에 있는 전해질의 물이 전기분해되어 산소와 수소가 단위전지 내부에 축적될 뿐 아니라 극판을 형성하는 순수 금속이 다른 금속으로 오염되어 전위가 거꾸로 나타난다. 이렇게 전위가 바뀌는 것을 단위전지 반전(cell reversal)이라 한다. 과방전 역시 유사한 문제를 나타낸다. 완전 충전된 단위전지에 계속해서 전류를 흘려 넣으면, 내부에 있는 전해질의 물이 전기분해되어 산소와 수소가 단위전지 내부에 축적된다.
물이 전기분해 되면 수소와 산소가 발생하게 되는데, 수소는 전지 내부에 축적되어 있다가 압력이 증가하면 분출구로 배출되는데 이 때 전해질이 빠져 나오기도 한다. 한편, 산소는 음극판과 결합한다. 이 때 상당한 열이 발생하게 되는데, 충전이나 방전 중에 단위전지에서 열이 나는 주된 원인이 된다. 이와 같은 상황이 반복되면, 결국 전해질은 적정 농도를 유지할 수 없어 전지로서의 수명을 마감하게 된다. 그래서 전지 제조회사에서는 밀폐형(sealed type) 단위전지의 과충전 내구성을 높이기 위하여 전해질의 농도를 적정 농도보다 다소 낮게 하고, 음극판의 양을 양극판보다 더 많게 하여 제작한다. 이렇게 하면 전지의 수명을 더 길게 할 수 있지만, 새 전지가 오히려 사용중인 전지보다 성능이 떨어지는 원인이다. 침수형(flooded type)인 경우는 사용자/관리자가 정기적으로 증류수를 보충하여 줌으로써 전해질에서의 물의 고갈을 보충한다.

IV. 단위전지 불균등 문제의 해결

이런 단위전지들의 불균등 문제는 단위전지 수가 많은 전지일수록 쉽고 빠르게 나타난다. 특히, 10개 전후의 단위전지들로 구성된 전지 팩을 사용하는 휴대용 컴퓨터와 방송용 사진기에서 가장 큰 문제로 나타나고 있다. 다음과 같은 방법으로 여러 개의 단위전지들을 사용하는 경우 단위전지들의 불균등을 해결할 수 있다.

V. 전지 팩 구성과 초기화(PRIMING; 사용 준비)

이와 같은 이유로 한 기기에 여러 개의 단위전지들을 직렬로 사용할 때에 용량이 같고 충방전 특성이 지극히 유사한 단위전지들을 정밀하게 선별하여 사용하는 것이 바람직하며, 특히 전지 팩 안에서 같이 사용하는 단위전지는 정밀한 선별이 특히 중요하다. 용량이 같고 충방전 특성이 극히 유사한 전지를 사용하더라도, 처음 사용할 때에는 각 단위전지의 에너지 수준 즉 충방전 상태는 유통되고 보관되는 동안 어느 정도의 기억 현상에 의해 달라져서, 이를 균등하도록 하는 과정이 무엇보다도 중요하다. 이 초기화 과정으로 단위전지 내부에서 전해질이 균등화되고 균질화되어 결국 최대 용량의 에너지를 수용할 수 있어 그 성능이 최대가 된다.

초기화 과정은 결국 미세한 전류로 오랜 시간에 걸쳐 충전하여 만충전에 도달한 단위전지들을 과충전하여 전 단위전지들이 만충전되도록 하는 것이다. 이 방법은 단위전지 내부의 전해질이 묽은 상태에 있을 때에만 가능하며, 결국 과충전시킨다는 점은 단위전지가 나빠지도록 하는 것을 의미한다.

VI. 직렬 회로에서 미세 전류에 의한 전지 성능 회복술(RECONDITIONING TECHNIQUE)

니켈 시스템의 전지에서 주기적으로 방전을 하면 사용 도중 발생한 전해액의 결정(메모리)을 제거하여 전지의 성능을 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 대부분의 방전 회로는 직렬로 이루어져 있으며, 그래서 방전 역시 직렬로 할 수밖에 없다. 이렇게 직렬인 상태로 방전하는 경우 전지를 구성하는 일부 단위전지들의 과방전 및 단위전지 반전 현상은 여전히 발생한다. 이런 직렬 상태로 방전시켜 단위전지들의 균등화나 원상 복구는 힘들거나 불가능하다.

또한, 전지 팩을 사용하지 않는 경우에 가장 흔한 전지의 기능부전은 충방전을 계속하여 사용하면서 단위전지들의 전위가 서로 달라지는 것이다. 전지의 성능을 개선시키려는 회복술을 사용할 경우, 직렬 회로에서 이런 상태를 개선하기란 쉽지 않다. 미세한 전류로 장시간에 걸쳐 여러 번 충방전을 계속하여 개선할 수 있다고는 하지만, 별도의 정밀한 충방전기나 전지관리기를 갖고 있지 않는 한 이 방법은 소비자에게 실제적이진 않다.

VII. 분리되는 단위전지들의 개별 충전과 개별 방전

단위전지들의 전위가 달라진 것을 개선하여 균등하게 하는 방법 중 가장 확실한 방법은 단위전지들을 개별적으로 충전하여 사용하고 사용한 후 개별적으로 방전하는 방법이다. 이 방법을 사용하려면 단위전지들을 따로 떼어 낼 수 있어야 하며, 또한, 이 방법은 단위전지 개수만큼 충전기와 방전기가 필요하다. 전용 충전기 외에 별도로 충전기와 방전기들이 필요할 뿐 아니라, 대량으로 단위전지를 관리하거나 회복하는 방법으로는 바람직하지 않다.

VIII. 분리되지 않는 단위전지들의 개별 방전

전지 팩 내부에 도달할 수만 있다면, 팩을 구성하고 있는 단위전지들을 따로 방전기에 연결하여 방전시킴으로써, 단위전지들의 전위를 균등하게 할 수 있는 방법이다. 단위전지 개수와 같은 여러 개의 방전기나 도선 수가 단위전지 수보다 하나 더 많은 다중 방전기가 필요하다. (다중 다이오드 방전기)

IX. 분리되는 단위전지들의 병렬방전

단위전지를 따로 사용하거나 떼어 낼 수 있다면, 병렬 회로를 구성하여 불완전 방전된 단위전지(들)는 과방전된 단위전지(들)를 충전시키면서 스스로는 방전되고, 과방전된 단위전지(들)는 불완전 방전된 단위전지들에 의해 충전될 것이다. 물론 이런 병렬 회로 내에서 단위전지들 모두의 전위, 즉, 에너지 수준은 같아지지 않는다. 그 이유는 단위전지를 충전할 때 충전 전압은 목표 전압보다 어느 정도 더 높아야 목표 전압으로 충전이 가능하기 때문이다. 즉, 이 말은 병렬 회로에서 단위전지들의 전위는 완전히 같아지는 것이 아니라, 역치 전압 정도의 차이를 갖고 균등화된다는 것이다. 이런 상태에서 단위전지들을 균등화시키려면 역치 전압 이상으로 방전을 시켜야 한다.

이렇게 방전을 시키면 외견상은 전위가 같아진 것처럼 보인다. 그렇지만, 일부 단위전지 내부 저항과 내부 전해질 결정화를 고려하지 않은 것이다. 단위전지 내부의 결정화 즉, 기억 상태를 해결하려면, 이 상태에서 심방전을 시켜 모든 단위전지 내부의 결정화를 제거하여 원상 복구를 시키면서 단위전지들의 에너지 상태를 균등화시킬 수 있다. 이와 같은 균등화는 직렬 회로에서는 이루기 힘들다. 직렬 회로에 의한 방전에서는 방전기에 방전말 전압을 제어할 수 있는 특별한 제어장치를 갖추고 있지 않다면 잘못하여 방전을 방치할 경우 전지의 과방전과 전지 역전 현상은 피할 수 없다. 실수할 경우 병렬 회로에 의한 방전에서는 심방전은 일어나겠지만, 단위전지에 극히 유해한 과방전이나 단위전지 반전 현상은 일어날 수 없다.
병렬방전에서 또 따른 장점은 부하 전류를 쉽게 조절할 수 있다는 점이다. 즉, 한 개의 손상된 단위전지는 부하 전류가 약간만 높아도 단위전지의 전위가 떨어지거나 없어져 방전을 멈춘다. 그러나, 여러 개의 단위전지를 병렬로 연결된 경우에는 단위전지의 개수가 늘어나는 만큼 부하 전류의 범위가 늘어나 균등화와 원상 복구가 훨씬 더 쉬워진다.
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다가 단위전지들이나 전지들을 대량으로 원상복구할 경우, 직렬 회로에 의해 충방전을 하여 원상 복구를 시도하면, 단위전지들의 용량을 맞추어 회로를 구성하여야 하며, 단위전지들의 개수에 따라 충전 전압과 방전 전압이 달라져야 한다. 그러나 병렬방전에서는 단위전지들의 용량이 달라도 병렬로 연결하여 작업할 수 있으며, 방전말 전압도 원상복구할 단위전지들의 개수에 상관없이 일정하다는 장점을 갖고 있다.
(특허출원 ; 병렬방전 방법 및 장치, 다중 병렬방전 기법 및 장치)

X. 직렬-병렬 전환 회로를 갖춘 전지 팩

대부분의 휴대용 전자/전기 기기들에 사용하는 전지 팩은 어느 정도 높은 직류 전압을 요하고 있다. 전압을 높이려면, 단위전지들을 직렬로 연결해야 하는데, 이 경우 단위전지들의 전위 불균등은 결국 전지 전체를 못쓰게 하는 원인이 된다. 이런 것을 근본적으로 해결하기 위하여 전지 내부의 단위전지들을 필요에 따라 직렬-병렬 회로를 전환시킬 수 있도록 제작한다.

즉, 기기를 사용할 때에는 직렬로 연결하여 사용하다가, 대기 상태에는 병렬 회로로 전환하고 또 전지 관리의 목적으로 방전할 때에는 충전하기 전에 병렬 회로를 구성하여 방전하도록 하는 것이다. 전지 관리는 사용된 단위전지의 선별 정도와 품질에 따라 다르겠지만, 대략 한 달에 한 번 정도면 충분하리라 예상된다.
(특허출원 : 직렬-병렬 전환 회로를 갖춘 전지 팩 구성 방법 및 장치)

XI. 방전 시간의 단축

회복 목적으로 전지나 단위전지를 방전시킬 때, 단지 부하만 걸어 수동적으로 방전시킬 경우에 시간이 상당히 많이 걸린다. 특히, 방전의 말기에는 적은 양의 전류만 흘러 초기보다 방전 시간이 상대적으로 길다. 이 때 방전 시간을 단축시키기 위하여 전류를 전지나 단위전지 내부로 흘려 보내 전지내부의 방전 화학반응을 가속시킬 수 있다. 이와 같은 것을 역부하 방전이라 한다. (특허출원 : 역부하 방전 기법과 장치)

XII. 병렬방전의 응용 분야

소형 녹음기, CDP 용 전지 관리기 제작, 사진기 스트로보, 무전기, 디지털 사진기 등에 단위전지들을 직접 끼워 사용하는 니켈 전지의 관리기, 구난 장비, 수중전등 등에 단위전지들을 직접 끼워 사용하는 니켈 전지의 관리기, 대량 전지 회복/재생 플랜트 설계, 노트북 PC처럼 여러 개의 단위전지들을 사용하는 전지 팩의 설계 및 전지 관리

<출처 : 니카몬>

충전용 배터리 관련 자료-1 : http://nabee.tistory.com/370/