리튬이온배터리 CV충전을 하는 이유는 무엇일까?

안녕하세요. 공대생P입니다. 이번 주제에서는 배터리 충전 과정에서 사용되는 CC(Constant Current) 충전, CV(Constant Voltage) 충전의 차이와 각각의 방식이 적용되는 이유에 대해 설명해 보겠습니다.

섬네일

 

1.  CC충전에 대하여 (정전류 충전)

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CC충전은 'Constant Current' 즉 전류가 상수인 것을 의미합니다. 그 말은 전류가 일정하다는 의미이며, 배터리에 일정한 전류를 지속적으로 흘려주어 양극에 있는 리튬 이온을 음극으로 이동시키는 과정입니다.

CC-CV 충전 개념 (출처 : REOB)

이해를 쉽게 돕기 위해 CC충전은 다음과 같이 표현됩니다. 위 그래프와 같이 배터리를 충전하게 되면 양극의 리튬이온이 탈리(De-intercalation) 되게 되고 전위차에 따라 전압이 증가합니다. 

리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)

리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)

 

 

 

2. CV충전에 대하여 (정전압 충전)

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CV충전은 'Constant Voltage' 즉 전압이 상수인 것을 의미합니다. 역시나 전압이 일정하게 유지하면서 추가적인 충전을 하는 기법입니다. 그렇다면 왜 CV충전이 따로 필요한 것일까요?

NCA 양극재 Voltage profile (출처 : 10.1007/s10008-019-04342-1)

 

그 이유는 양극재 재료 구조와 연관 지어 설명할 수 있습니다. 대표적인 층상계 양극재 소재인 NCA, NCM, LFP, LCO 등 리튬의 삽입(Intercalation),  탈리(De-intercalation)가 가능한 양극 재료들은 전류가 흐르면 전극 표면과 내부에서 리튬 이온들이 이동하는 반응이 일어납니다. 하지만 전극과 전해질이 만나는 최초 표면에서 리튬이온이 탈리되는 속도와 그에 따라 이동되는 내부 리튬이온들의 속도 차이가 발생합니다. 또한 이것은 리튬 이온의 농도 구배차이가 발생한 것을 의미합니다. 

리튬이온 농도 구배 발생 경우(출처 : 10.1002/anie.202214828)

이러한 현상에 따라 CC충전만 진행하게 된다면, 전극 표면의 전압은 정격 전압을 벗어나 버리고, 전극 활물질에 손상을 가할 수 있습니다. 이런 문제를 개선하기 위해 전류를 일정하게 가하는 CC충전은 일정 전압까지만 진행하고 (Ex : 4.2V), 다음 과정으로 CV충전을 진행하여 에너지 저장 능력을 극대화하는 것입니다.

 

결론적으로, CV충전은 배터리 전압을 안정적으로 유지하고 과충전을 방지하며, 배터리의 수명과 안정성을 높이는 중요한 기법입니다. 이상으로 글을 마치도록 하겠습니다. 감사합니다.