배터리의 종류와 특징

배터리는 스마트폰, 노트북, 시계 또는 리모컨과 같은 모든 전자 무선 장치의 주요 전원입니다.  

배터리와 셀의 기본적인 차이점과 DC 전원 대신 교류 전원(즉, 벽면 소켓의 AC 전원)을 사용할 수 없는 이유를 알아보겠습니다.

 

- 셀: 셀은 매우 적은 양의 DC 전압과 전류만 전달할 수 있는 에너지원입니다. 예를 들어 시계나 리모컨에 사용하는 셀을 사용하면 최대 1.5 – 3V를 제공할 수 있습니다.

 

- 배터리: 배터리의 기능은 셀의 기능과 정확히 동일하지만 배터리는 전압을 원하는 수준으로 높일 수 있도록 직렬/병렬 방식으로 배열된 셀 팩입니다. 배터리에 대한 가장 잘 알려진 예는 스마트 폰을 충전하는 데 사용되는 보조 배터리입니다. 보조 배터리 내부를 보면 요구 사항에 따라 직렬/병렬로 배열된 배터리 세트를 찾을 수 있습니다. 배터리는 전압을 증가시키기 위해 직렬로 배열되고 전류를 증가시키기 위해 병렬로 배열됩니다.

 

대부분의 휴대용 전자 제품에서 AC는 DC를 어려움 없이 보관할 수 있는 곳에 보관할 수 없습니다. AC 전원으로 인한 손실조차도 DC 전원과 비교할 때 더 큽니다. 이것이 DC가 휴대용 전자 장치에 선호되는 이유입니다.

 

 

 

 

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1. 배터리의 종류

배터리는 기본적으로 2가지 유형으로 분류됩니다.

• 비충전식 배터리(기본 배터리)
• 충전식 배터리(2차 배터리)

 

1) 비충전식 배터리

이러한 유형의 배터리는 한 번만 사용할 수 있기 때문에 기본적으로 기본 배터리로 간주됩니다. 이 배터리는 재충전하여 다시 사용할 수 없습니다. 

 

• 알카라인 배터리: 기본적으로 아연(Zn)과 이산화망간(MnO2)의 화학 조성으로 구성됩니다. 사용된 전해질은 순수 알칼리성 물질인 수산화칼륨이기 때문에 배터리는 전력 밀도가 100Wh/Kg인 알카라인 배터리로 명명되었습니다.

 

 

 

- 장점

1. 싸이클 수명은 더 깁니다
2. 휴대용 장치의 전원을 켜기 위한 호환성과 효율성이 더 뛰어납니다.
3. 유통 기한이 더 깁니다.
4. 크기가 작습니다.
5. 효율이 높습니다.
6. 내부 저항이 낮아 유휴 상태의 방전 상태가 더 적습니다.
7. 누출이 적습니다.

 

- 단점

1. 비용이 약간 높습니다. 그것을 제외하고는 모든 것이 장점입니다.

 

- 응용 프로그램

 /  리모컨, 벽시계, 작은 휴대용 가제트 등에 사용할 수 있습니다.

 

 

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• 코인 셀 배터리: 코일 셀 배터리의 화학 조성도 본질적으로 알칼리성입니다. 알칼리성 조성 외에도 리튬 및 산화은 화학 물질은 이러한 작은 크기로 안정적이고 안정적인 전압을 제공하는 데 더 효율적인 배터리를 제조하는 데 사용됩니다. 270 Wh/Kg의 출력 조밀도가 있습니다.

 

 

- 장점

1. 가벼운 무게
2. 작은 크기
3. 고밀도
4. 저가
5. 높은 공칭 전압(최대 3V)
6. 직렬로 배열하여 고전압을 쉽게 얻을 수 있습니다.
7. 긴 배터리 사이클

 

- 단점

1. 홀더가 필요합니다.
2. 낮은 전류 소모 성능

 

- 응용분야

  . 시계, 벽시계, 계량기 및 기타 저전력 소형 전자 제품 등에 사용됩니다.

 

 

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2) 충전식 배터리

이러한 유형의 배터리는 일반적으로 재충전이 가능하고 재사용할 수 있는 2차 배터리라고 합니다. 비용은 높지만 재충전 및 재사용이 가능하며 적절하게 사용하고 안전하게 충전하면 수명이 길어질 수 있습니다.

 

2-1) 납산 배터리

납산배터리는 매우 저렴하고 주로 자동차와 차량에서 볼 수 있는 납산으로 구성되어 조명 시스템에 전력을 공급합니다. 이들은 크기/공간 및 무게가 중요하지 않은 제품에서 더 바람직합니다. 납산 배터리는 2V에서 24V로 시작하는 공칭 전압과 함께 제공되며 가장 일반적으로 2V, 6V, 12V 및 24V 배터리이며 출력 밀도는 7Wh/Kg입니다.

 

 

- 장점

1. 비용이 저렴합니다.
2. 쉽게 충전할 수 있습니다.
3. 고출력 성능

 

- 단점

1. 매우 무겁습니다.
2. 많은 공간을 차지합니다.
3. 전력 밀도가 매우 낮습니다.

 

- 응용분야

자동차, UPS(무정전 전원 공급 장치), 로봇 공학, 중장비 등에 사용됩니다.

 

 

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2-2) Ni-Cd 배터리

이 배터리는 니켈과 카드뮴 화학 성분으로 만들어집니다. 거의 사용되지 않지만 매우 저렴하고 NiMH 배터리와 비교할 때 방전율이 매우 낮습니다. Ni-Cd 배터리는 AA, AAA, C 및 직사각형 모양과 같은 모든 표준 크기로 제공됩니다. 공칭 전압은 1.2V이며 종종 3.6V를 제공하는 3개 세트로 함께 연결되며 60 Wh/Kg의 출력 조밀도가 있습니다.

 

 

- 장점

1. 비용이 저렴합니다.
2. 간편한 재충전
3. 모든 환경에서 사용 가능
4. 모든 표준 크기로 제공

- 단점

1. 더 낮은 전력 밀도
2. 독성 금속 함유
3. 배터리 플레이트에 결정이 자라는 것을 방지하기 위해 매우 자주 충전해야 합니다.

- 응용분야

RC 장난감, 무선 전화기, 태양광 조명 및 주로 가격이 중요한 응용 분야에 사용됩니다.

 

 

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2-3) Ni-MH 배터리

니켈-금속 수소화물 배터리는 환경에 미치는 영향이 적기 때문에 Ni-Cad 배터리보다 훨씬 선호됩니다. 공칭 전압은 1.25V로 Ni-Cad 배터리보다 큽니다. 알카라인 배터리보다 공칭 전압이 낮고 가용성이 높고 환경에 미치는 영향이 적기 때문에 좋은 대체품입니다. Ni-MH 배터리의 전력 밀도는 100Wh/Kg입니다.

 

 

- 장점

1. 모든 표준 크기로 제공됩니다.
2. 높은 전력 밀도.
3. 재충전이 용이합니다.
4. 거의 모든 유사점이 있는 알칼리성의 좋은 대안이며 충전식이기도 합니다.

- 단점

1. 자체 방전이 매우 높습니다.
2. Ni-Cad 배터리보다 비쌉니다.

 

- 응용분야

알카라인 및 Ni-Cad 배터리와 유사한 모든 응용 분야에 사용됩니다.

 

 

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2-4) 리튬 이온 배터리

리튬이온 배터리는 리튬 금속으로 구성되며 최신 충전식 기술입니다. 크기가 작기 때문에 고전력 사양이 필요한 대부분의 휴대용 응용 제품에 사용할 수 있으며 사용 가능한 최고의 충전식 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 3.7V의 공칭 전압을 가지며 (가장 일반적으로 3.6V 및 7.2V가 있음) 다양한 범위의 전력 용량 (mAh의 100s에서 1000s까지 )을 가지고 있습니다. C 등급 범위는 1C에서 10C이며 리튬 이온 배터리의 전력 밀도는 126Wh/Kg입니다.

 

 

 - 장점

1. 무게가 매우 가볍습니다.
2. 높은 C 등급.
3. 전력 밀도가 매우 높습니다.
4. 셀 전압이 높습니다.

 

- 단점

1. 약간 비쌉니다.
2. 단자가 단락되면 배터리가 폭발할 수 있습니다.
3. 배터리 보호 회로가 필요합니다.

 

 

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2-5) Li-Po 배터리

액체 전해질 대신 고전도성 고분자 겔/고분자 전해질을 사용하기 때문에 리튬 이온 고분자 충전식 배터리라고도 합니다. 이배터리는 리튬 이온 기술에 속하며 약간 비쌉니다. 그러나 배터리는 리튬 이온 배터리와 비교할 때 매우 강력하게 보호되며 출력 밀도는 185Wh/Kg입니다.

 

 

- 장점

1. 리튬 이온 배터리에 비해 보호 기능이 뛰어납니다.
2. 무게가 매우 가볍습니다.
3. 리튬 이온 배터리에 비해 구조가 얇습니다.
4. 전력 밀도, 공칭 전압은 Ni-Cad 및 Ni-MH 배터리에 비해 비교적 매우 높습니다.

 

- 단점

1. 비쌉니다. 
2. 잘못 연결하면 폭발할 수 있습니다.
3. 구부리거나 폭발의 원인이 될 수 있는 고온에 노출되어서는 안 됩니다.

 

- 응용분야

  . 드론, 로봇 공학, RC 장난감 등과 같은 충전식 이점이 필요한 모든 휴대용 장치에 사용할 수 있습니다.

  

 

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2.  배터리 관련 기술용어

배터리의 기능에 대해 설명하기 위해 전압과 전류만을 계속 사용할 수는 없으며 와트시(mAh), C 등급, 공칭 전압, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전류, 차단 전압, 저장 수명, 사이클 수명과 같은 배터리의 특성을 정의하는 몇 가지 고유한 용어가 있습니다.

 

1) 전원용량:

Wh로 측정되는 배터리에 저장된 에너지입니다

Wh = V * I * 시간 {전압은 일정하게 유지되므로 Ah/mAh로 측정됨}

 

일반적으로 스마트 폰의 사양을 읽을 때 배터리 등급을 2500mAh 또는 4000mAh로 봅니다. 

2500mAh 이는 배터리가 1시간 동안 부하에 2500mA(2.5A)의 전류를 전달할 수 있음을 의미합니다. 배터리가 지속적으로 작동하는 시간은 배터리가 소비하는 부하 전류에 따라 다릅니다. 따라서 부하가 25mA의 전류만 소비하면 배터리는 100시간 동안 활성 상태를 유지할 수 있습니다. 

 

이론적인 계산은 이상적으로 보이지만 배터리의 지속 시간은 온도와 전류 소비 등에 따라 변경됩니다.

 

2) 전류 용량

배터리가 전달할 수 있는 전류의 양을 의미합니다. C 등급이라고도 합니다.

이론적으로 AH를 1시간으로 나눈 값으로 계산됩니다.

 

예: 10000mAh의 전력 용량을 가진 배터리를 생각해 보겠습니다.

10000mAh/1hour로 나누면 10000mA = 10A = 10C가 됩니다.

따라서 용량이 10000mAh인 배터리의 C 등급은 10C이며, 이는 배터리가 정전압(고정 전압/정격 전압)에서 10A의 전류를 전달할 수 있음을 의미합니다.

배터리의 정격이 1C인 경우 배터리는 1A의 전류를 공급할 수 있습니다.

 

C 등급이 높을수록 배터리에서 끌어올 수 있는 전류가 많아집니다.

 

3) 공칭 전압

전력 용량을 정의할 때 V * I * 시간으로 설명할 수 있는 Wh라는 단위가 있습니다. 배터리의 전압은 일정하고 변하지 않기 때문에 공칭 전압(고정 전압)으로 간주됩니다. 따라서 전압이 고정되어 있기 때문에 암페어와 시간만 단위(Ah/mAh)로 간주됩니다.

 

4) 충전 전류

배터리를 충전하는 데 적용할 수 있는 최대 전류, 즉 배터리 보호 회로가 내장된 경우 실질적으로 최대 1A/2A를 적용할 수 있지만 여전히 500mA가 배터리 충전에 가장 적합한 범위입니다.

 

5) 충전 전압

배터리를 효율적으로 충전하기 위해 배터리에 적용해야 하는 최대 전압입니다. 기본적으로 4.2V는 최상의/표준 충전 전압입니다. 배터리에 5V를 적용해도 4.2V만 수용합니다.

 

6) 방전 전류

배터리에서 끌어올 수 있는 전류이며 부하로 전달됩니다. 부하에 의해 끌어오는 전류가 정격 방전 전류보다 크면 배터리가 매우 빨리 소모되어 배터리가 빨리 가열되어 배터리가 폭발하게 됩니다. 따라서 부하에 의해 소모되는 전류의 양과 배터리가 보류할 수 있는 최대 방전 전류를 결정하는 것은 신중합니다.

 

7) 수명

배터리가 장기간 유휴/밀봉된 상태로 유지되는 상황이 있을 수 있습니다. 따라서 유통 기한은 배터리의 전원을 계속 켤 수 있고 정격 기간 동안 사용할 수 있어야 하는 기간을 정의합니다. 유통 기한은 주로 비충전식 배터리의 경우 사용 중이고 던지기 때문에 고려됩니다. 충전식 배터리의 경우 보관 시간이 짧더라도 계속 충전할 수 있습니다.

 

8) 차단 전압

배터리가 완전히 방전된 것으로 간주될 수 있는 전압이며, 그 후에도 계속 방전을 시도하면 배터리가 손상됩니다. 따라서 차단 전압 이후에는 배터리를 회로에서 분리하고 적절하게 충전해야 합니다.

 

9) 싸이클 수명

배터리가 완전히 충전되고 실제 용량의 80%까지 방전되었다고 가정하면 배터리가 한 사이클 완료되었다고 합니다. 마찬가지로 배터리가 충전 및 방전할 수 있는 이러한 사이클의 수는 사이클 수명을 정의합니다. 사이클 수명이 길수록 배터리 품질이 좋아집니다. 그러나 배터리가 초기에 완전히 충전된 것을 고려하여 실제 용량의 40%로 배터리가 방전되면 사이클 수명으로 간주할 수 없습니다.

 

10) 전력 밀도

주어진 부피 질량에 대한 배터리의 전력 용량을 정의합니다.

100Wh/Kg(알카라인 배터리 표준 전력 밀도)은 1Kg의 화학 성분에 대해 100Wh의 전력 용량을 제공한다는 것을 의미합니다. AAA 알카라인 배터리의 부피는 11.5g입니다. 따라서 1Kg이 100Wh 용량을 제공할 수 있다면 11.5g AAA 배터리가 제공할 수 있는 용량은  Wh(11.5g의 경우) = 100*11.5/1000 = 1.15Wh

 

따라서 알카라인 배터리의 공칭 전압이 1.5V라는 것을 알고 있습니다. 따라서 1.5V * (1.15/1.5)A * 1시간을 제공하면 표준 AAA 알카라인 배터리의 전력 용량과 거의 동일한 0.76Ah = 760mAh의 전력 용량을 제공합니다.