SCP란 무엇인가? - 과충전, 과전류 등의 오류로부터 리튬(Li)-이온 배터리를 보호하는 기술

리튬 이온 배터리의 유익한 특성

리튬 이온 배터리는 스마트폰 및 노트북과 같은 장치의 전원 역할을 합니다. 기술이 발전함에 따라 이러한 배터리는 더 작아지고 강력해졌으며 이제는 드론과 전기 자전거에도 사용됩니다. 리튬 이온 배터리는 일상 생활에서 필수적이라고 말할 수 있습니다. 그들은 다음과 같은 세 가지 주요 이점으로 인해 광범위한 응용 분야에서 활용됩니다.

1. 고전압 및 고에너지 밀도
   리튬 이온 배터리는 비슷한 크기의 니켈-카드뮴(NiCd) 또는 니켈-수소(NiMH) 배터리(모두 공칭 전압 1.2V)보다 약 3배 높은 전압(공칭 전압 3.7V)을 제공합니다. 이처럼 높은 공칭 전압은 기존 배터리에 비해 더 적은 셀로 동일한 전압을 생성할 수 있음을 의미합니다. 또한, 다른 배터리보다 에너지 밀도가 높아 더 작고 가벼운 제품을 만들 수 있습니다.
2. 자체 방전 특성
   리튬 이온 배터리의 자가 방전율은 한 달에 약 5%로, 니켈 카드뮴이나 니켈 수소 배터리의 5분의 1에도 미치지 못합니다. 즉, 배터리를 몇 달 동안 사용하지 않더라도 한 달 동안 사용하지 않은 일반 배터리와 거의 같은 양의 에너지를 유지할 수 있습니다.
3. 메모리 효과 없음
   기존 NiCd 및 NiMH 배터리는 부분 충전을 반복하면 전체 배터리 수명이 단축되는데, 이를 "메모리 효과"라고 합니다. 리튬 이온 배터리는 이러한 메모리 효과가 없어 반복 충전이 가능합니다.

리튬 이온 배터리의 안전성

아래 그림은 배터리의 분류를 보여줍니다. 이 글에서 다루는 배터리는 충전식 배터리(충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 배터리)로, 화학 배터리 범주에 속합니다. 리튬 이온 배터리는 고성능, 소형, 경량의 배터리로, 전자 기기에 사용되는 기존 배터리보다 성능이 훨씬 뛰어납니다. 리튬 이온 배터리의 장점에도 불구하고 과충전 위험과 같은 문제점이 여전히 남아 있습니다.

다음은 표준 충전식 배터리(납축전지, 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 전지, 리튬이온 전지)를 구성하는 양극 및 음극의 일반적인 활물질과 전해질입니다. 유기 용매를 사용하는 리튬이온 전지를 제외한 모든 전지에서는 전해질 용매로 물이 사용됩니다. 이 유기 용매 덕분에 리튬이온 전지는 물 전기분해 전압(1.23V)을 초과하는 공칭 전압을 가질 수 있습니다.

니켈 수소 배터리나 니카드 배터리를 충전하는 경우, 충전의 진행에 의해 서서히 전지 전압이 상승, 만충전 부근에서 전지 전압은 피크를 맞이하고, 그 후 평형 상태가 됩니다. 한편, 전지 온도는 상승은 계속됩니다만 그다지 커지지 않고, 전지의 크기에 비해 전지 용량이 작고, 전해질도 수용액(불연)인 것을 생각하면 비교적 안전한 전지라고 할 수 있습니다.

반면, 리튬 이온 배터리를 안전장치 없이 계속 충전하면 배터리가 완전히 충전된 후에도 배터리 전압과 배터리 온도가 계속 상승합니다(아래 그림 참조).

작은 공간에 큰 에너지가 갇혀 있어 게다가 고온, 거기에 유기용매(인화성 액체)가 동거하고 있는 것을 생각하면 「충전하면 위험」인 전지라고 할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 앞서 언급했듯이 에너지 밀도가 높은 등 뛰어난 특성을 가진 전지임에는 틀림없이 지금까지 다양한 궁리가 성능면 안전면에서 이루어져 현재의 보급으로 이어지고 있습니다.

2차 보호 리튬 이온 배터리용

반복적으로 사용되는 충전식 배터리에는 충전 및 방전을 모니터링하고 조절하는 배터리 관리 시스템(BMS)이 내장되어 있습니다. BMS는 배터리와 기기(또는 충전기) 사이에 위치하며, 배터리의 전류, 전압, 온도를 전자적으로 감시하고 관리합니다. BMS는 대부분의 이상 징후를 감지하여 작동 중 배터리를 안전하게 보호합니다.

그러나 전자 회로의 보호 기능조차도 이상이나 반도체 고장으로 인해 때때로 실패할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리의 경우 화재나 폭발과 같은 이상으로 인한 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 2차 보호 기능이 통합되어 있습니다. 따라서 안전성 향상을 위해 신뢰할 수 있는 2차 보호 방법이 필요합니다.

셀프 컨트롤 프로텍터(SCP)

덱세리얼즈가 개발한 '셀프 컨트롤 프로텍터'(SCP)는 리튬 이온 배터리의 2차 보호에서 충방전 회로를 물리적으로 분리하는 퓨즈 부품입니다. SCP는 배터리가 불안정해지거나 기본 보호 기능이 제대로 작동하지 않을 때 회로를 차단하여 안전을 보장합니다. SCP의 역할은 불안정한 배터리의 작동을 즉시 중지하고 회로에서 안전하게 분리하는 것입니다.

퓨즈는 전기 장치에 광범위하게 사용되는 보호 부품입니다. 과전류 동안 줄 열로 퓨즈 요소를 녹여 회로를 분리합니다. 그러나 리튬 이온 배터리의 경우 과전류뿐만 아니라 과충전도 고려해야 합니다. 덱세리얼스의 SCP는 1994년 출시 이후 리튬 이온 배터리용 2차 보호 퓨즈의 표준 부품으로 인정받아 2024년 3월 현재 28억 4천만 개 이상 출하되었습니다.

아래는 SCP의 구조를 보여주는 개념도와 등가 회로도를 보여줍니다.

「SCP」도 퓨즈이므로 퓨즈 엘리먼트가 용단하는 것으로 회로 차단을 실시합니다. 과전류에 대해서는 일반 퓨즈와 같은 동작이 됩니다. 포인트가 되는 것은 과충전에 대해, 과충전이 검지되면 엘리먼트 아래에 있는 히터에 전류가 흘러 발열, 이 열에 의해 엘리먼트가 용단되어 회로가 차단됩니다.

이 그림과 사진은 위가 과전류에 의해 절단된 'SCP', 아래가 과충전에 의해 절단된 'SCP'가 됩니다.

SCP의 가능성과 앞으로

덱세리얼즈는 약 30년 동안 리튬 이온 배터리 보호의 연구 개발에 종사해 왔습니다. SCP는 리튬 이온 배터리의 2차 보호 퓨즈로 널리 사용되었으며 2차 보호가 중요한 많은 노트북에 설치됩니다.

스마트폰, 태블릿 등의 기기의 경우:
SCP는 이러한 기기에서 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 배터리 수명 연장 및 안전성 향상에 기여하여 사용자 경험을 크게 향상시킵니다. (자세한 내용은 "고속 충전 스마트폰 2차 보호 퓨즈(SCP) 기술" 문서를 참조하십시오.)

전동 공구:
높은 내구성과 안전성이 요구되는 전동 공구 분야에서 표면실장형 퓨즈 중요한 안전 장치 역할을 합니다. 가혹한 작동 환경에서도 배터리의 안전을 보호하여 효율적인 작업을 가능하게 합니다. (자세한 내용은 "전동 공구 개발의 역사와 덱세리얼즈의 표면실장형 퓨즈, 자기 제어 보호기(표면실장형 퓨즈)" 기사를 참조하십시오.)

드론:
급속한 시장 확장과 기술 혁신을 겪고 있는 드론 가볍고 효율적인 배터리 관리가 필수적입니다. SCP는 드론 비행 시간을 극대화하는 동시에 안전한 비행을 보장하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. (자세한 내용은 "드론의 역사와 미래 - 더 높은 성능, 더 긴 비행 시간, 더 높은 전압, 그리고 이를 지원하는 기술" 기사를 참조하십시오.)

전기 자동차와 자전거:
전기 자동차 분야에서 SCP는 배터리 안전성을 향상시키고 장거리 주행을 가능하게 합니다. 또한, 고전류를 지원함으로써 급속 충전의 확산에도 기여합니다. (자세한 내용은 "전 세계로 확산되는 전기 오토바이와 그 안전성(배터리 및 2차 보호 퓨즈)" 기사를 참조하십시오.)

SCP의 진화는 멈추지 않을 것이며, 저희는 "더 작은 크기"와 "더 높은 전류"를 목표로 리튬 이온 배터리를 위한 더욱 안전하고 효율적인 보호 소자 개발에 계속 노력할 것입니다. 또한 개발 과정에 대한 기사(" 2차 보호 퓨즈(SCP)의 잠재력 - 과충전 및 과전류 방지 기능으로 개척된 새로운 시장")도 준비되어 있습니다. 꼭 읽어보세요.