올바른 리튬 화학 물질로 배터리 수명 연장

사물 인터넷(IoT), 무선 센서 노드(WSN), 스마트 계측기, 전동 공구, 휴대용 의료 장치, 핸드헬드 LED 조명과 같은 응용 분야에서는 수명이 긴 배터리가 필수적입니다. 긴 수명의 비결은 리튬(Li) 배터리 화학 물질을 사용하는 것입니다. 그렇다면 어떤 리튬 배터리를 선택해야 할까요? 리튬/이온 이황화물(Li/FeS₂), 리튬 이산화망간(LiMnO₂), 리튬 염화 티오닐(Li-SOCl₂)과 같은 주요 화학 물질은 배터리 수명을 몇 년까지 연장할 수 있으므로 다양한 응용 분야에 적합합니다. 또한 배터리 수명은 화학 물질뿐만 아니라 다양한 요소에 따라 달라지며, 배터리 구성, 에너지 소비 패턴 등과도 관련이 있습니다.

응용 분야에 따라 가장 적합한 배터리를 선택할 수 있습니다. 현재 응용 분야에 긴 보관 수명이 필요한가요? 장기간 느린 속도로 방전되나요? 오랫동안 사용하지 않을 경우 빠르게 방전되나요? 이러한 질문에 답을 하다보면 긴 수명을 위해 어떤 배터리를 결정해야 하는지 파악할 수 있습니다.

Energizer, Zeus Battery Products, Jauch Quartz 및 Tadiran의 실제 배터리를 예로 들어 펄스 및 연속 방전율, 에너지 밀도, 작동 온도, 구성 세부 정보 간의 트레이드 오프에 대해 살펴보겠습니다.

높은 방전율과 긴 보관 수명을 위한 Li/FeS₂

Energizer Ultimate Lithium 배터리는 자사의 알카라인 배터리와 화학적 성질과 구성이 다릅니다. Li/FeS₂ 화학 물질은 우수한 용량을 제공하므로, 기존 알카라인 전지에 비해 표면적이 20배 더 큰 나선형 구조와 결합하여 이 배터리는 더 큰 용량을 제공하고 높은 방전율을 지원할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 세 가지 방전율에서 L92 Li/FeS2 AAA의 방전 프로파일(왼쪽) 및 L92과 기존 알카라인 전지의 용량과 드레인 전류 비교(오른쪽) (이미지 출처: Energizer)

예를 들어 1.5V L92 AAA 전지는 공칭 용량이 1.2Ah이고, 1.5A 최대 연속 방전율을 지원하며, 2초 동안 최대 2.0A 펄스를 제공할 수 있습니다. L92는 21°C에서 보관 수명이 20년이고 작동 온도 범위는 -40°C ~ +60°C입니다. 이 사양 조합을 적용한 배터리는 게임 컨트롤러, 위성 위치 확인 시스템(GPS) 장치, LED 플래시라이트, 모터로 작동되는 원격 제어 장난감, 레이저 수평기와 같은 고드레인 응용 분야에 적합합니다.

저전력 ~ 중간 전력을 위한 LiMnO₂

설계에서 긴 비활성 기간 후 적당히 높은 전류가 필요한 경우 LiMnO₂ 배터리를 선택하는 것이 가장 좋습니다. 그런 응용 분야에는 액세스 제어, 비상 위치 송신기, 음파 탐지 부표, 위험한 환경 모니터, 무선 주파수 식별(RFID) 추적 장치 등이 있습니다. 이러한 전지의 전극은 부동태화층을 형성하지 않으므로 이 배터리는 오랫동안 사용하지 않더라도 순간 전류 펄스를 제공합니다.

LiMnO₂ 배터리는 매우 평평한 방전 곡선으로 3.0V를 제공하고 중간 전류 펄스를 지원할 수 있습니다(그림 2). 예를 들어 Zeus의 CR-2 LiMnO₂ 배터리는 용량이 800mA이고, 자체 방전율은 20°C에서 연간 3% 이하이며, 3초 동안 900mA 펄스 부하를 지원할 수 있습니다. Energizer의 Ultimate Lithium Li/FeS₂ 전지와 마찬가지로 이 LiMnO₂ 배터리의 작동 온도 범위는 -40°C ~ +60°C입니다.

그림 2: LiMnO2 전지는 Li/FeS2 전지에 비해 방전 곡선이 더 평평하며 오랫동안 저전류에서 중간 전류를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Zeus Battery Products)

높은 에너지 밀도와 장거리/저전력을 위한 Li-SOCl₂

LiMnO₂ 배터리와 달리 Li/SOCl₂ 전지는 부동태화층을 형성하여 자체 방전율이 매우 낮습니다. 따라서 전지 용량 손실을 최소화하면서 오랫동안 비활성 상태로 유지할 수 있습니다. 하지만 부동태화층은 배터리가 처음 방전될 때 전류 흐름을 방해하여 즉각적인 피크 전력 용량을 제한합니다. 부동태화층은 방전을 지속하면서 사라지지만 배터리를 다시 비활성 상태로 두면 다시 생성됩니다.

설계상 Li/SOCl₂ 배터리는 무선 IoT 센서, 공공 계량기, 무선 보안 장치, 추적 시스템과 같이 지속적으로 작동하는 저전력 응용 분야에 특히 적합합니다.

Li-SOCl₂ 배터리는 나선형 감김 또는 보빈 구성에 사용할 수 있습니다. 보빈 유형 전지는 매우 높은 에너지 밀도를 제공하며 '에너지 전지'라고도 합니다. 나선형 감김 전지는 높은 연속 정격 피크 전류를 제공하며 '전력 전지'라고도 합니다. 두 유형 모두 3.6V 공칭 출력과 플랫한 방전 곡선을 제공합니다(그림 3).

그림 3: Li/SOCl2 배터리는 방전 곡선이 LiMnO2 및 Li-SOCl2보다 더 평평하여 지속적으로 작동하는 저전력 응용 분야에 특히 적합합니다. (이미지 출처: Jauch)

보빈 전지는 최대 710Wh/kg 에너지 밀도를 제공할 수 있습니다. 보빈 Li-SOCI₂ 배터리의 예로는 Jauch의 ER14250J-S 1/2AA(용량: 1.2Ah, 작동 온도 범위: -60°C ~ +85°C)와 Tadiran의 TL-5903/T AA(용량: 2.4Ah, 작동 온도 범위: -55°C ~ +85°C)가 있습니다.

결론

여기서 살펴본 세 가지 화학 물질 중 Li/FeS₂는 가장 높은 방전율과 펄스 전류를 지원할 수 있지만, 1.5V 작동 전압에서 에너지 밀도가 더 낮습니다. 스펙트럼의 반대 쪽에 위치한 Li/SOCl₂는 낮은 전력 레벨을 장기적으로 제공하는 데 적합하며 가장 높은 에너지 밀도를 제공합니다. LiMnO₂ 배터리는 에너지 밀도의 측면에서 중간이며, 낮은 전력부터 중간 전력 레벨이 장기간 필요하고 주기적으로 대규모 전력이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

응용 제품에서 긴 배터리 수명을 실현하기 위해 고려할 많은 요소가 있지만 시작하기 전에 널리 사용되는 리튬 화학 물질의 주요 차별화 요소를 간략하게 살펴보는 것이 좋습니다.