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과방전
과방전(Over Discharge) 또는 심부방전(Deep Discharge)이란 단순 방전이 아니라 보호 회로가 배터리 상태를 인식하지 못할 정도로 방전한 상태를 말한다.
개요
배터리가 가지는 남은 잔량이 어느 적정선까지 방전이 된다면 그것은 과방전 상태이다. 배터리는 과방전하게 되면 배터리 수명이 준다. 완전히 방전된 상태가 아니더라도 충전잔량이 매우 적은 상태에서도 배터리의 수명이 줄어들 수 있다. 즉, 과방전 상태는 완전 방전 상태가 아니라는 것을 유의해야 한다. 과방전의 예를 들어 알코올램프를 사용하면 심지에 불을 붙여 사용하는데, 알코올이 심지가 닿지 않을 정도로 소모하게 되면 결국 심지는 알코올을 흡수하지 못하여 심지가 불타게 되는 경우가 생각하면 된다. 이와 같이 배터리도 전기를 어느 정도 소모하게 되면 결국에는 배터리 자체에 무리가 갈 수 있는 것이다. 그리하여 과충전과 과방전을 방지하기 위한 보호회로가 작동하도록 하는데 리튬 이온을 일부러 완전 충전, 완전 방전하는 것이 불가능해졌고, 잔량이 적은 상태로 방치하여 자연 방전을 통해 완전히 방전 시키는 것만 가능해졌다. 주위에서 살펴보면 무선이어폰과 같은 경우도 배터리가 소진된 상태에서 장기간 사용하지 않고, 다시 사용하려고 했을 때 사용하지 못하는 경우도 주로 과방전으로 인한 배터리 손상 때문이다.
원리
- 리튬전지에는 0V 또는 과방전 보호 전압보다 훨씬 낮은 상태가 되면 극판의 표면 또는 Edge에 덴드라이트(Dendlite)물질이 형성된다. 이는 나뭇가지 모양의 결정으로 금속이 녹아있는 용액에서 금속 핵이 생긴 다음 사방으로 가지를 뻗으며 자란다.[1] 그렇게 성장하게 되면 덴드라이트는 양극판과 음극판 사이에서 절연층을 형성하고 있는 PE/PP 계열의 분리막을 손상시키게 되어 단락을 일으킨다. 이는 대부분의 리튬이온 전지는 충전을 하게 되면 약간의 체적팽창 현상이 발생하여 덴드라이트에 손상된 분리막이 충전량이 적을 때 극판 간 절연상태를 유지하여도 완전 충전이 되어 체적이 팽창한 상태에서 분리막을 뚫어 전극 극판을 단락 시키게 되는 것이다. 충전된 전지 내부의 양극판과 음극판이 덴드라이트에 의하여 단락이 되면 아주 미소한 단락은 미열을 발생하고 전압이 강하되겠지만, 심한 손상을 입게 되면 열폭주 현상이 발생하여 에너지가 급속히 소진되는 과정에서 열이 높아져 심한 발열, 가스 누출, 발화, 폭발로 이어지게 된다. 이는 극판의 전기 에너지가 모두 소진될 때까지는 어떠한 대책이 없다. 물론 과방전 시 전해액의 부반응, 전극층의 열화 및 기능 저하로 전지 기능도 수행하지 못하지만, 그것보다도 전지의 안전성을 확보하기 위하여 과방전 전압 보호가 있는 것이다.
- 납산배터리의 경우에 방전 시에는 전해액이 묽은 황산(H2SO4 + H20)으로 화학반응 중에는 황산만 반응하여 물에 가까워져서 배터리가 방전됨에 따라 전해액 비중과 전압이 점점 낮아지고, 장시간 지속된다면 활물질이 황산납(PbSO4)으로 더 이상 전기를 발생할 수 없는 완전 방전상태가 되는 것이다.[2] 이때는 더 이상 고출력을 발휘하지 못하고, 외부 회로와 연결되어 있으면 0V에 도달할 때까지 하강할 수 있다. 이 상태가 지속이 되면 축전지가 더 이상 방전되어서는 아니 되는 축전지의 하한 전압인 방전 종지전압이 되는데 전기화학적 셀에 악영향을 미치거나 파손시킬 수 있다. 납산배터리는 어느 정도까지 과방전의 경우인가에 대하여는 도표를 보아 확인할 수 있다. 상기 도표에서 x축은 사이클의 수명을 표시하고 y축은 방전 깊이를 표시하고 있다 방전 깊이를 100%까지 방전을 하면 약 500사이클이 배터리의 충전용량이 80% 선으로 내려간다. 이렇게 충전용량이 80% 수준으로 내려가는 방전 깊이를 좀 더 작게 하여 80% 수준까지 하면 80% 수준에 이르는 용량 감소가 1,500회를 지나서 나타난다. 80%부터는 용량 감소가 심하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이때 80%를 넘어서 방전이 되는 것을 과방전이라 부르는 것이다. 더하여 표에서는 과방전으로 인하여 사이클 수명이 줄어드는 것도 보여준다. 500Ah 짜리 배터리라면 400Ah까지는 방전을 시키지만 나머지 100Ah는 방전을 하지 않도록 충전시간이나 방전전압의 종지전압 설정을 주의해서 한다. 2V Cell이라면 종지전압을 1.84V로 설정하고 방전을 시켜 종지전압에 이르르면 방전이 멈추게 한다. 일단 방전이 끝나면 전지는 그냥 놔두면 전압이 올라가서 30분 정도만 지나면 안전된 전압을 보이게 되는데 물론 이때에는 충전도 방전도 안 되는 관계로 개방회로 상태이다. 이때에 잰 전압을 살펴보면 1.97V를 가리키게 된다. 이런 개방회로 전압은 다시 충전을 하려고 충전기에 물리면 즉시 2.2V 이상으로 올라가 버린다. 따라서 폐쇄회로에 연결된 전압은 방전이든 충전이든 안정적이지 못하다.[3]
과방전 보호 회로
거의 모든 리튬전지에는 과충전, 과방지를 해주는 PCM(Protection Circuit Module)이 있는데 과방전 보호 기능도 한다. 2V 이하로 방전되면 회복 불능으로 전지가 손상되므로 이를 방지하기 위하여 사전 차단하는 전압으로 배터리가 방전 과정 동안, 연결단 중 한 셀이 배터리 전압이 2.3V보다 낮은 것을 검출하면 "DO GG" 핀은 고전압에서 제로 전압으로 변경되어 V1을 켜고 끄면 방전 회로가 차단되어 배터리가 더 이상 부하를 방전할 수 없게 된다. 이때 VD1 바디 다이오드 VD1의 존재로 인하여 충전기는 다이오드를 통하여 배터리를 충전할 수 있다. 과방전 보호 상태에서는 배터리 전압을 낮출 수 없어 보호 회로의 전류 소비는 매우 적어야 한다. 이때 IC는 저소비 상태가 되고, 전체 보호회로의 소비전력은 0.1μA 미만이 된다. 제어 IC가 배터리 전압이 2.3V보다 낮음을 감지 한 시간과 V1 신호가 꺼질 때까지의 지연 시간도 있다. 이 지연시간의 길이는 C3에 의하여 결정되고, 일반적으로 간섭 판단으로 인한 오류를 방지하기 위하여 100ms로 설정된다.[4]
관리
과방전을 예방하기 위해서는 무엇보다 배터리 상태에 유의해야 한다. 완전히 방전되기 전에 충전해야 하며 적어도 배터리의 잔량이 15~20%에선 충전을 하는 것이 좋다. 완전히 방전된 상태에서 장시간 방전상태를 유지하면 안 된다.
- 스마트폰의 경우 배터리에도 마찬가지로 방전 시 구성 재료가 부식되는데 완전 방전 시 600회 정도만 충전이 가능하고, 잔량이 20% 남은 배터리는 900회 정도 충전할 수 있다. 잔량이 40% 남은 배터리는 1,500회 정도 충전이 가능하고, 60% 남은 배터리는 3,000회까지 충전이 가능하다. 그러므로 배터리를 0%까지 완전 방전시키지 않고 수시로 충전하는 것이 가장 좋은 방법으로 배터리를 수시로 충전하는 것은 수명에 전혀 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀지는 사실이다. 그리하여 일부 스마트폰은 배터리 잔량이 15%로 떨어지면 충전하라는 안내문이 나온다.[5]
- 납축전지는 자동차에 주로 쓰이는데, 방전된 배터리를 바로 보충해 준다면 거의 95% 성능 및 수명을 유지할 수 있다. 방전된 배터리를 오래 방치한 후 충전을 시키면 충전이 잘 안될 뿐만 아니라, 성능 및 수명도 매우 저하된다. 그러나 보통 완전히 방전된지도 모르고 장기간 주차하여 과방전이 발생하는데, 블랙박스의 상시 전원이 일반화되면서 주차 시에 녹화하며 방치하는 경우가 많다. 그렇다고 자동차에 시동을 꺼도 ECU와 미세한 전류가 흐르게 되어 장시간 주차는 배터리 수명을 줄이는 행위이다. 그러므로 방전된 배터리는 바로 충전을 하는 것이 좋다. 여기에 더하여 30분 정도 시동을 켜 두면 방전이 된 배터리 충전이 다 된다고 생각하지만 우리가 생각하는 것보다 자동차 발전기에서 생산되는 전류량이 크지 않아서 가정용 충전기와 같이 별도의 충전장치가 없으면 완충이 힘들다.[6] 완충이 되지 않은 차량이 장시간을 버틸 수 없고, 완전 방전시간이 길어지게 되는 것이다. 그리하여 장시간 주차를 피하는 것이 좋고, 장시간 주차를 하더라도 기온이 비교적 높은 곳에 주차하고, 일주일에 한 번씩 시동을 걸어 여유 있게 두어야 한다. 평상시 기본적으로 내 차의 배터리 상태를 주기적으로 확인하는데, 차량 보닛을 열고 육안으로 자동차 배터리에 있는 인디케이터를 통하여 확인이 가능하다. 인디케이터는 배터리 내부 전해액의 비중을 알려주는데, 녹색은 정상, 검은색은 충전 필요를 알린다. 인디케이터 색깔이 녹색이어도 배터리 자체가 오래된 경우 빠르게 방전되기도 하여 배터리의 제조일자도 확인하여 교체해 주는 것이 좋다. 전시동을 끄기 전 오디오 등 전기 장치를 미리 종료하고 시동을 꺼야 배터리가 완전히 충전된다. 엔진이 꺼진 상태에서 차량의 전기 장치를 쓰는 것도 피해야 한다. 블랙박스는 저전압으로 설정하여 배터리 소모를 줄이거나 블랙박스 전용 보조 배터리를 추가로 설치하는 것을 추천한다.[7]
예외로 니켈전지는 소위 완전 충전과 완전 방전을 거처야 한다. 니켈전지는 양극 전극으로 니켈을 사용하는 이차 전지는 충분히 방전하지 않은 상태에서 충전하면 최대 용량에서 남아 있는 용량을 뺀 소모된 용량만 충전 가능한 용량으로 인식하는 현상인 기억 효과가 발생한다. 즉, 방전 전압이 떨어져서 용량이 줄어든다.
각주
- ↑ 〈리튬 덴드라이트〉, 《위키백과》
- ↑ 어리버리, 〈납축전지의 특성〉, 《네이버 블로그》, 2019-04-15
- ↑ 목동, 〈납산배터리의 과방전(deep discharge)이란 ?〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-08
- ↑ 〈리튬 이온 배터리 보호 회로의 작동 원리〉, 《power long battery》, 2020-06-05
- ↑ 현태덕 기자, 〈(5G 생활) 이렇게 충전하면 배터리 수명이 늘어난다〉, 《시니어매일》, 2021-03-26
- ↑ 킹콩, 〈자동차 배터리 과충전 과방전(진주 자동차 밧데리 배터리)〉, 《다음 블로그》, 2016-04-06
- ↑ 모토야, 〈추위에 약한 자동차 배터리, 방전 예방하는 법〉, 《모토야》, 2021-11-12
참고자료
- 〈Deep Discharge - an overview〉, 《ScienceDirect Topics》
- Lucky7, 〈과충전, 과방전이 왜 안좋은가? 전기알못 배터리알못도 쉽게 이해할 수 있는 비유로 설명합니다.〉, 《youtube》, 2019-11-28
- 〈리튬 덴드라이트〉, 《위키백과》
- 어리버리, 〈납축전지의 특성〉, 《네이버 블로그》, 2019-04-15
- 〈리튬 이온 배터리 보호 회로의 작동 원리〉, 《power long battery》, 2020-06-05
- 현태덕 기자, 〈(5G 생활) 이렇게 충전하면 배터리 수명이 늘어난다〉, 《시니어매일》, 2021-03-26
- 킹콩, 〈자동차 배터리 과충전 과방전(진주 자동차 밧데리 배터리)〉, 《다음 블로그》, 2016-04-06
- 모토야, 〈추위에 약한 자동차 배터리, 방전 예방하는 법〉, 《모토야》, 2021-11-12
같이보기
