2차 보호 리튬 이온 배터리: 기능 및 개발

리튬 이온 배터리용 2차 보호 솔루션

1991년에 출시된 리튬 이온 배터리는 높은 전압과 낮은 자가 방전율 덕분에 모바일 기기의 표준으로 빠르게 자리 잡았습니다. 안전성을 강화하기 위해 자가 제어 보호기(SCP)가 과충전 및 과전류를 방지하는 보조 보호 장치로 개발되었습니다. SCP 수년에 걸쳐 리튬 이온 배터리의 안전 대책 발전에 중요한 역할을 해왔습니다. 이 글에서는 리튬 이온 배터리에 대한 개요를 제공하고, 배터리 안전성 강화에 있어 자가 제어 보호기(SCP)의 역할과 발전 과정을 살펴봅니다.

리튬 이온 배터리란 무엇인가요?

리튬 이온 배터리(Li-ion)는 현재 휴대용 전자 제품의 표준인 충전식 배터리입니다. 기존 배터리와 달리 리튬 이온 배터리는 화학 반응을 역전시켜 재충전할 수 있습니다. 이러한 재충전 기능은 스마트폰, 노트북, 전기 자동차와 같이 반복적으로 사용해야 하는 장치에 이상적입니다. 리튬 이온 배터리의 주요 구성 요소에는 음극, 양극, 전해질 및 분리막이 포함되며 모두 함께 작동하여 에너지를 저장하고 방출합니다. 이러한 특성으로 인해 광범위한 산업 분야에서 널리 채택되었습니다.

리튬과 리튬 이온 비교

리튬 배터리와 리튬 이온 배터리는 모두 리튬을 주요 성분으로 사용하지만, 상당한 차이점이 있습니다. 리튬 배터리는 일반적으로 1차 전지(일회용)인 반면, 리튬 이온 배터리는 충전이 가능합니다. 리튬 배터리는 에너지 밀도가 높고 저장 수명이 길지만, 일회용이라는 특성으로 인해 적용 범위가 제한적입니다. 반면, 리튬 이온 배터리는 수백 번 충전할 수 있어 잦은 전원 사이클이 필요한 기기에 더 적합합니다.

1차 전지와 2차 전지의 차이점

1차 배터리는 일회용이며 일단 소모되면 폐기해야 합니다. 이에 비해 이차전지는 여러 번 충전하여 사용할 수 있어 장기적으로 더욱 비용 효율적이고 환경 친화적입니다. 이차전지의 주요 장점은 재사용성에 있으며, 이는 노트북, 스마트폰, 전기 자동차와 같이 시간이 지남에 따라 지속적인 전력이 필요한 응용 분야에 특히 중요합니다.
리튬 이온 배터리의 재사용 및 재활용에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오. 지속 가능한 사회를 향하여: 리튬 이온 배터리와 Dexerials의 보호 장치의 재활용 및 재사용

리튬 2차 전지란?

리튬 이차전지는 리튬 이온(Li-ion) 및 리튬 폴리머(LiPo) 전지와 같은 충전식 리튬 기반 전지를 말합니다. 이러한 전지는 재충전하여 반복적으로 사용할 수 있습니다. 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 특징으로 하는 리튬 이차전지는 가전제품부터 전기 자동차에 이르기까지 다양한 분야에 사용됩니다.

작동 원리

리튬 이온 배터리는 전해질을 통해 리튬 이온을 양극과 음극 사이로 이동시켜 작동합니다. 방전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하여 연결된 장치에 에너지를 공급합니다. 충전 시에는 외부 전원이 리튬 이온을 음극으로 되돌려 에너지를 저장하고 나중에 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 가역적인 화학 반응 덕분에 배터리는 여러 번 재충전할 수 있습니다. 이 첨단 기술이 발전함에 따라 안전 조치를 강화하기 위한 노력이 더욱 강화되었습니다.

오랜 역사를 가진 제품

과충전은 리튬 이온 배터리의 전해질에 가연성 유기 용제가 포함되어 있기 때문에 화재나 폭발의 위험이 있습니다. 이러한 이유로 현재 시중에 나와 있는 리튬 이온 배터리의 셀과 충방전 회로에는 과전류나 과충전 등 사고로 이어질 수 있는 문제를 방지하기 위해 항상 '1차 보호'라는 제어 기능이 탑재되어 있습니다. 그러나 아무리 좋은 전자 회로라도 드문 경우지만 고장날 수 있습니다. 1990년대 초, Sony Chemicals(현 Dexerials Corporation)는 리튬 이온 배터리의 1차 보호가 실패한 경우를 대비한 2차 보호 구성 요소를 개발하는 임무를 맡았습니다.

배터리 보호 회로의 작동 방식

배터리 보호 회로는 과충전, 과방전, 단락과 같은 잠재적 위험으로부터 리튬 이온 배터리를 보호하는 핵심 부품입니다. 이 회로는 배터리의 전압과 온도를 모니터링하여 배터리가 안전한 범위 내에서 작동하도록 보장합니다. 특정 값이 임계값을 초과하면 보호 회로가 개입하여 배터리를 부하 또는 충전기에서 분리하여 손상을 방지합니다.

리튬 이온 배터리 보호 회로란 무엇인가요?

리튬이온 배터리 보호 회로는 리튬 이온 셀을 보호하도록 특별히 설계되었습니다. 일반적으로 트랜지스터, 다이오드, 저항과 같은 전자 부품들이 전류 흐름을 제어하는 방식으로 구성됩니다. 또한, 이 회로는 배터리 상태를 지속적으로 확인하고 필요한 경우 보호 조치를 실행하는 모니터링 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 회로는 리튬 이온 배터리의 수명을 연장하고 다양한 애플리케이션에서 배터리의 안전한 작동을 보장하는 데 필수적입니다. 이러한 보호 조치를 이해하는 것은 응축 센서 기술을 활용하는 애플리케이션을 포함하여 다양한 애플리케이션에서 배터리 구동 장치의 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다.
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응축 센서 기술

SCP 개발은 비디오 카메라의 결로 센서에서 시작되었습니다. 소니 케미컬은 당초 결로 센서 기술을 사용하여 PTC 서미스터와 유사한 센서를 개발하려 했습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 여러 가지 어려움으로 인해 성공하지 못했습니다.

새로운 방법으로 회로 차단의 획기적인 발전이 이루어졌습니다.

기존 센서 기술로 회로가 차단되더라도 온도가 원래 상태로 돌아오면 다시 사용할 수 있습니다. 하지만 이미 결함이 있는 리튬 이온 배터리를 계속 사용하는 것은 위험합니다. 그래서 저희는 1차 보호 기능이 작동하지 않을 때 과충전이나 과전류가 발생하면 회로를 완전히 차단하는 제품 개발로 개념을 전환했습니다.

시행착오 끝에, 히터를 설치하여 퓨즈를 끊는 것이 해결책이었습니다. 이 방법은 과충전과 과전류를 모두 처리할 수 있으며, 회로를 물리적으로 차단할 수도 있습니다.
SCP의 전기적 구조는 아래 회로도에 나와 있습니다. 왼쪽은 일반적인 회로도이고, 오른쪽은 SCP의 내부 구조를 반영한 3차원 회로도입니다. 실제 SCP 히터(저항) 위에 퓨즈가 3차원 교차로 배열된 구조를 가지고 있습니다.

아래 다이어그램은 SCP의 작동 방식을 설명합니다.

정상적인 방전 및 충전 시 전류 흐름은 아래와 같습니다.

과전류가 발생하면 줄열에 의해 퓨즈 소자가 녹아 회로가 차단됩니다.

과충전이 발생하면 2차 보호 IC가 이상을 감지하고 FET를 켜 히터 회로를 작동시킵니다. 이 경우 전류는 T1과 T3 모두에서 히터로 흐르고 열을 발생시킵니다. 이 열은 퓨즈 요소로 전달되어 퓨즈가 끊어지고 회로가 중단됩니다. 동시에 히터 회로가 분리되고 열 발생이 멈춥니다.

처음에는 연성 인쇄 회로 기판(FPC)을 회로 기판으로 사용했지만, 표면 실장을 위해 세라믹 기판으로 변경했습니다. 이렇게 하여 SCP의 프로토타입을 완성했습니다.

리튬 이온 배터리 및 SCP에 대한 수요 증가

1994년에는 SCP 히터와 퓨즈의 적층 구조에 대한 기초 특허를 획득했습니다. 같은 해에는 2차 보호 회로에 SCP가 장착된 리튬 이온 배터리가 출시되었습니다. SCP가 있는 리튬 이온 배터리는 많은 컴퓨터 제조업체에서 빠르게 채택되었습니다. 오늘날에도 덱세리얼스의 SCP는 노트북을 포함한 많은 제품의 2차 보호 회로에서 퓨즈로 사용되고 있습니다.

리튬 이온 배터리 시장이 확대됨에 따라 SCP에 대한 수요도 증가했습니다. 오늘날 이러한 배터리는 노트북과 무선 도구, 산업용 배터리, 전기 자동차와 같은 대형 전기 제품에 사용됩니다. 소형 장치의 경우 노트북, 태블릿, 급속 충전 스마트폰 및 의료 기기용 자동 외부 제세동기에 사용됩니다. 세계가 가솔린 엔진에서 모터로 전환하기 시작함에 따라 SCP는 대형 장치에서 더 높은 전압을 처리해야 할 것입니다.

기술은 계속해서 빠르게 변화하고 있습니다. 덱세리얼은 다양한 수요를 충족하는 제품 개발을 지속할 것입니다.