리튬이온전지의 충방전 그래프 해석 (voltage profile)

배터리(전지)는 충전과 방전의 반복적인 사이클을 통해 전기에너지를 저장하거나 사용할 수 있는 장치이다. 이번 포스팅에서는 리튬이온전지의 충방전 곡선 그래프로 보통 voltage profile이라 불리는 그래프에 대하여 배워보자.

1. 충방전 곡선 그래프

리튬이온전지 관련 논문이나 자료를 찾아보면 항상 나타나는 그래프 중 하나이다. Voltage profile이라 불리는 이 그래프는 보통 충전곡선과 방전곡선이 같이 넣고 용량 및 전압을 나타낸다. 

리튬이온전지 충방전 그래프 (출처 : Mater. Res. Express 6 (2019) 085521)

1.1 X축 : 비용량 (Specific capacity (mAh/g))

위 그래프에서 X축은 용량을 나타낸다. Specific capacity (mAh/g) 라고 기입되어 있는데 이것은 전극의 단위질량당 전지의 용량을 의미한다. 보통 양극재가 전지용량을 담당하기 때문에 양극재의 단위무게당 용량으로 이해할 수 있다. 예로 160mAh/g은 양극재 1g당 160mAh의 용량을 구현할 수 있다는 의미이다.

1.2 Y축 : 전압 (Voltage)

Y축 그래프는 전압을 나타낸다. 그래프를 통해 리튬이온전지가 충전과정에서 작동하는 전압범위와 방전과정에서 작동하는 전압범위를 알 수 있다.

1.3 충전곡선 : 3.7V~4.3V (비자발적 반응 Irreversible reaction)

충전과정은 전지에 전류를 가할 때 일어나는데, 이때 전지내부에서는 양극의 리튬이온이 산화반응을 일으키면서 음극으로 이동한다. 이때 양극과 음극의 전압이 3.7V에서 4.3V로 상승하게되며 위 그래프와 같은 곡선을 그리게 된다. 이때 충전은 비자발적반응이다.

1.4 방전곡선 : 4.3V~3.0V (자발적 반응 Reversible reaction)

방전과정은 반대로 전기에너지를 사용할때 일어나는 반응이다. 전기에너지를 사용하면, 음극에 저장되어있던 리튬이온이 원래대로 양극으로 이동하게된다. 따라서 충전과정에서 전기에너지를 가하여 인위적으로 상승시켰던 전압이 감소하게 된다. 방전과정은 자발적반응이다. 

2. 충방전 그래프로 알 수 있는 것

2.1 쿨롱효율 (Coulombic efficiency)

쿨롱효율이란 방전용량을 충전용량으로 나눈 값에 퍼센트를 적용한 값이다. 예를 들어 충전할때 사용된 용량이 100mAh이고, 방전했을때 용량이 80mAh일 경우에 쿨롱효율을 계산해보면

쿨롱효율 = 80/100 x (100%) = 80%

쿨롱효율이 높다는 것은 충전시 이동했던 리튬이온이 얼마나 많이 돌아오는가를 의미한다. 따라서 리튬이온의 가역성이 높다고 해석 할 수 있고 결과적으로 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지라 판단할 수 있다. 

2.2 전지수명 (Capacity retention)

리튬이온전지 용량유지율 그래프 (출처 : Mater. Res. Express 6 (2019) 085521)

 리튬이온전지의 충방전을 연속적으로 수행하여 전지의 수명을 확인할 수 있다. 충방전 사이클마다 방전용량값을 기록하고 이 방전용량값을 기준으로 위와 같은 그래프를 만들 수 있다. 위 그래프로 알 수 있는 것은 전지가 충방전을 거듭함에 따라 얼마나 높은 용량을 유지할 수 있는지를 알 수 있다. 더 쉽게 전지의 수명성능을 확인할 수 있는 것이다.