◆리튬 이온 배터리를 오래 사용하는 방법
리튬 이온 전지는 장수명이고 대출력이라는 이점이 있는 고성능 전지이지만, 사용법에 따라 수명이 짧아진다. 대표적인 '수명 저하'의 원인을 소개한다.
▲만충전의 계속에 의한 전지 성능의 열화
휴대전화나 스마트폰을 신규 구입했을 경우, 전지 잔량은 거의 끊어지기 직전인지, 대부분 절반 정도의 상태로 판매된다. 전지를 장시간 보존하는 경우, 만충전 상태가 계속되면 수명이 짧아지기 때문에, 충전량을 억제한 상태로 판매하고 있다.
전지가 완전히 방전되면 치명적인 손상을 입기 때문에 장기간에 걸쳐 구입되지 않고 충전되지 않는 경우에도 완전 방전을 피하기 위해 절반 정도의 충전이 확보되고 있다.
만충전 상태에서의 보존은, 리튬 이온 전지의 열화를 가속시키는 원인이 된다. 구입전에는 유저가 아는 곳은 아니지만, 사용 개시후라도 「만충전이 되어 있는 기간을 짧게」라고 하는 사용법이 생기면, 같은 전지를 보다 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다.
배터리를 장기간 사용하지 않은 경우뿐만 아니라 리튬 이온 배터리를 사용하는 경우에도 마찬가지입니다. 항상 충전기에 콘센트를 접속한 상태로 하는 등, 얕은 충전을 반복하여 만충전 상태가 계속되면, 전지의 수명에 악영향을 미친다.
휴대전화는 자주 가지고 다닐 기회가 있기 때문에 항상 만충전으로 해두고 싶은 것이다. 배터리를 갖고 싶다는 이유로 만충전하지 않고 사용하여 편리성을 손상시키는 것은 바람직하지 않다. 휴대 전화나 스마트 폰에서의 이용에 있어서는, 정기적인 전지 팩의 교환을 실시해 대응하는 것이 통례가 되고 있다.
완전 충전을 계속하는 사용 방법은 리튬 이온 전지의 특성상 권장되지 않는다.
휴대전화나 스마트폰, 노트북 등 매일 운반을 전제로 하고 있는 전기 기기는 만충전 시간을 계속하면 전지 성능이 열화된다. 모바일 기기의 사용자는 사용중의 전지 끊김을 막기 위해 「언제나 완전 충전 상태로 사용한다」라고 하는 것이 통례가 되고 있다.
전원 플러그가 접속된 상태에서는, 거의 완전 충전에 가까운 상태가 유지된다. 배터리의 충전 시스템에서는, 과도하게 충전되지 않도록 보호 장치가 탑재되어있다. 충전 100%가 되면 충전 상태를 해제하고, 자연 방전으로 95% 전후가 되면 다시 미약 전류로 충전하는 '전지 친화적인' 충전 제어로 설계되고 있다.
▲고온 환경에서의 이용·보관에 의한 열화
리튬 이온 전지는 주위 온도 25℃를 기준으로 하고 있다. 운반을 전제로 하고 있는 전기 기기에 탑재된 리튬 이온 전지는, 가열된 자동차 내, 입욕 중의 이용, 직사 광선에 노출되는 장소에의 방치 등, 가혹한 온도 환경에 노출되는 일도 드물지 않고, 온도 상승에 의한 수명의 열화가 우려된다.
리튬 이온 전지의 최대 허용 주위 온도는 "45℃"로 규정되어 있다. 일본 국내의 일반적인 환경이라면 45℃ 이상의 주위 온도가 될 수는 없지만, 직사 광선이 닿는 자동차 내로의 방치, 입욕 중의 이용을 상정하면, 45℃를 초과한 위험 온도 될 수 있습니다.
전지의 온도 상승은 수명의 저하뿐만 아니라, 본체의 전자 회로나 내부 배선의 절연 열화를 일으키는 원인이 되어, 이상 발열에 의한 발연이나 발화, 본체의 변형 등의 문제로 이어진다.
고온 조건에서 배터리는 상당한 성능 저하를 유발합니다. 이러한 영향에 의해 일반적으로 「500회」라고 하는 충전 사이클 횟수에 이르기 전에, 전지가 수명이 되는 사례도 많다. 보관방법과 이용환경에는 충분한 주의가 필요하다.
▲과방전에 의한 전지 성능의 열화
배터리는 과방전에 약하다. 전지의 잔량이 없어지면, 그 이상의 방전을 피하기 위해 「잔량 0%」라고 하는 표시를 해 전기 기기를 정지시킨다. 방전된 전지를 계속 이용하면, 최소한 필요한 전압 이하로 되는 「심방전 상태」가 되어, 셀의 열화가 현저하게 진행되어 회복 불능이 된다.
과도하게 방전된 전지는 파손 상태가 되어 다시 충전하기 어렵다. 이용 불능이 되기 때문에, 방전의 지나치게에 주의가 필요하다.
최저 전압이 2.8V 정도가 된 시점에서, 전지의 방전을 정지하도록 보호 장치가 내장되어 있어, 통상의 사용법이면 과방전 상태가 되지 않는다. 방전된 상태에서 장기간 방치한 자연 방전이나 조합 전지의 일부 셀이 과방전이 되는 사례가 있지만, 과방전 상태가 된 셀은 재충전이 불가능해져, 시스템 전체의 전지 용량 가 저하되거나 이상 발열이나 발화로 이어질 우려가 있다.
●리튬 이온 배터리의 보호 회로에 의한 발화 방지
리튬 이온 전지는 전력 밀도가 높고, 과충전이나 과방전, 단락의 이상 발열에 의해 발화·발연이 발생하여 화재로 이어진다. 과충전을 방지하기 위해, 전지의 충전이 완료되었을 때 충전을 정지하는 안전 장치와, 방전을 지나치게 방전을 정지하는 안전 장치가 내장되어 있다.
▲배터리 단락 보호
전지 팩의 단자간이 단락(단락)하면, 단락 전류라고 하는 큰 전류가 발생한다. 전지의 플러스극과 마이너스극을 도체로 접속한 상태에서는 급격히 발열하여 셀을 파괴하여 파열이나 발화의 사고로 이어진다.
단락 전류가 계속 발생하지 않도록 배터리에는 안전 장치가 내장되어 있습니다. 단락하면 대전류가 흐르기 때문에 전류를 검출하여 안전 장치가 작동하도록 설계된다. 단락에 의한 대전류는 즉시 차단이 원칙이며, 단락 발생의 순간에 회로를 분리한다.
▲과충전 보호
과충전의 안전장치가 내장되어 있지 않으면 100%까지 충전된 전지가 한층 더 충전되어, 본래 4.2V 정도가 만충전된 리튬 이온 전지가 4.3, 4.4V로 과잉 충전 버린다. 과도한 충전은 발열이나 발화의 원인이 된다.
리튬 이온 전지의 발화 사고는 충전 중이 많아, 기대된 안전 장치가 작동하지 않거나, 복수 조합된 셀의 전압이 불균형을 일으켜, 일부 셀이 이상 전압이 되는 사례도 있다. 셀 개별적으로 과전압 보호를 도모하는 것이 바람직하다.
▲과방전 보호
과방전 정지의 보호 회로는, 전자 회로에 의해 셀의 전압을 계측하고, 전압이 일정값 이하가 되었을 경우에 방전을 정지한다.
과방전 상태에 가까워져 안전 장치가 작동한 전지는, 과방전을 피하기 위해 「일정 이상까지 충전되지 않으면 안전 장치를 해제하지 않는다」라는 안전성 중시의 설계가 되고 있다.
모바일 단말에서 전지를 0%까지 다 써버렸을 경우에 12시간 이상 충전하지 않으면 재기동할 수 없다는 제어가 내장되어 있는 것은 이것이 이유이다. 전압은 2.8V를 최저 전압으로 하고 있는 것은, 더 이상 전압이 저하하면 심방전 상태가 되어, 셀의 회복 불가능한 손상을 우려하기 때문이다.
일부 스마트폰이나 태블릿 PC에서는, 과잉 방전을 실시한 경우에 24시간의 장시간에 걸쳐 연속 충전하고, 전압을 일정치 이상까지 높이지 않는 한 복귀하지 않는 등의 안전 장치를 내장하고 있는 사례가 있다 .
●건축 산업·자동차 분야의 리튬 이온 전지 이용
건축 산업과 자동차 분야에서도 리튬 이온 축전지는 널리 활용되고 있다. 무정전 전원장치나 방재용 축전지, 전기자동차의 배터리 등 작은 용적으로 큰 전기용량을 모으는 특성을 살려 폭넓게 보급되고 있다.
▲무정전 전원 장치로서의 활용
높은 전력 밀도와 장시간에 걸친 안정된 고전압 출력 기능을 살려 산업용 무정전 전원 장치나 방재용 축전지의 전원으로서 리튬 이온 전지가 활용되고 있다.
리튬 이온 전지는 전력 밀도가 높기 때문에, 동일한 납 축전지나 알칼리 축전지를 이용한 무정전 전원 장치와의 비교에서도, 기기의 소형화나 경량화를 도모할 수 있는 것이 큰 이점이다.
축전지 공간을 작게 억제할 수 있기 때문에, 한정된 공간의 유효 이용이 요구되는 건축 계획에 대해서 우위성이 높다. 천장 뒷면 설치나 벽걸이 장착이 가능한 전지도 있어, 종래의 납 축전지에서는 불가능했던 설치 방법도 선택할 수 있다. 보다 합리적인 공간 이용을 도모할 수 있다.
납축전지를 이용한 UPS는 수명 2~3년으로 매우 짧아 교환주기도 빈번하다. 리튬 이온 전지의 UPS에서는 전지의 교환 주기를 약 2~4배의 「8년」까지 연장할 수 있기 때문에, 운용 코스트를 저감할 수 있다.
배터리 교체 작업 중에는 UPS 기능이 손실됩니다. 교환 빈도가 적으면 UPS의 정지 시간의 단축으로 이어져 보다 신뢰성이 높은 전원 환경을 구축할 수 있다.
전지 교환 중에 사고가 발생하면 UPS 기능이 작동하지 않고, 매우 큰 손해를 입기 때문에, 바이패스 회로의 구축이나 복수대의 UPS를 이용한 중복성의 확보가 이루어지고 있다.
▲전기 자동차에서의 활용
리튬 이온 전지는 전기 자동차나 PHEV에 탑재되어 있다. 휴대전화나 스마트폰에 사용되고 있는 소규모의 전지와 달리 20~30[kWh] 이상의 전원 용량을 갖고, 자동차의 대형 모터를 구동할 수 있는 큰 출력을 가진다.
전기 자동차에 탑재되고 있는 전지를 가정용 전원으로서 이용하는 대처가 진행되고 있다. 전기 자동차의 전지로부터 출력되는 전원은 직류이며 자동차의 모터 구동에는 편리하지만, 가정용 전원으로서 직류를 그대로 사용할 수 없다.
전기 자동차의 전지를 가정용 전원으로 사용하려면 'Vehicle to Home'이라는 구조를 사용하고 DC500V라는 차량용 전원은 직류 전원을 단상 교류의 220/110V로 변환해야 한다.
단상 교류로 변환된 전력을 가정용 분전반에 연결하면 정전 시에도 전기 자동차에서 전력을 공급할 수 있다. 전기 자동차를 축전지로서 이용함으로써, 재해시의 비상 전원으로서의 활용을 기대할 수 있고, 방재 비축 전원을 상비하는 것과 같은 신뢰성을 얻을 수 있다.
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