리튬이온배터리 Voltage profile 이해 : 용량(Capacity), 전압(Voltage), C-rate

리튬이온배터리 논문을 접하게 되면 항상 나오는 그래프가 있다. Voltage profile 로 흔히 불리우는 그래프이다. 오늘 포스팅에서는 리튬이온배터리의 Voltage profile을 설명하고자 한다.

 

 

위 그래프는 NCM811 양극재가 적용된 리튬이온배터리의 그래프이다. 충전속도에 따라 충전용량과 방전용량 곡선이 그려져 있다. 해당 그래프를 통해 voltage profile을 이해하자.

리튬이온배터리 충방전 그래프 (출처:Yuan et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz3112)

1. X축 : 용량 Capacity (mAh/g)

그래프에서 X축은 단위질량당 용량을 의미한다. 위 그림의 그래프는 단위가 mAh/g으로 되어있다. 이 의미는 단위질량당 용량을 의미한다. 따라서 같은 양의 양극활물질을 사용하였을 경우, 얼마나 많은 용량을 발현하는지를 나타낸다.

용량(Capacity) 의 수식 : [1Ah=1A x 1h], [1Ah=1000mAh]

용량의 1Ah = 1A의 전류가 1h 동안 지나갈때의 전류량을 의미하며 1암페어아워라 부른다. 여기서 1A는 즉 전자의흐름을 의미하고, 1h는 시간을 의미한다.

정리하면 용량이 높다 = 한시간동안 지나가는 전류가 많다 = 사용할 수 있는 전기의 양이 많다.

 

 

2. Y축 : 전압 Voltage (V)

Y축은 전압, 즉 양극과 음극의 전위차를 나타낸다. 전압의 크기도 배터리에서 중요하다. 그 이유는 에너지밀도 때문이다. [에너지밀도 = 용량 x 전압] 으로 계산되기 때문에 전압이 높을수록 에너지 밀도가 증가한다.

 

 

3. 범례 : C-rate : 0.5C, 1C, 2C

C-rate는 배터리의 충전속도/방전속도로 간주하면 이해하기 쉽다. 범례의 1C를 예시로 들면, 충전의 경우 배터리에 충전하는 시간이 1시간이 걸린다는 의미이고, 방전의 경우 배터리가 방전하는 시간이 1시간이 걸린다는 것을 의미한다. 이를 확장하면 2C의 경우에는 충전/방전을 진행하는데 0.5시간이 소모되는 것이다. 따라서 C-rate 숫자가 증가할수록, 충전/방전속도가 증가하게 되는것이다. 

 

 

4. 그래프 해석

위 그래프에서 상단의 곡선은 충전곡선이다. 충전시 3.6V 에서 4.2V 까지 전압이 증가하면서 X축의 용량을 충전한다. 반대로 하단의 곡선은 방전곡선인데, 방전시 4.2V에서 2.8V까지 전압이 X축의 용량을 방전용량으로 나타낸다. 

 

 

그래프에서 C-rate 값이 증가할수록 충전용량과 방전용량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 C-rate가 증가하면 그만큼 한꺼번에 많은 전기의 양을 가하거나 사용하기 때문에 저항이 증가하게 된다. 결과적으로 증가된 저항 때문에 용량이 감소하는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[용량]