리튬이온배터리의 SOC와 SOH의 관계

제가 손으로 적어본, SOC와 SOH의 관계입니다

 

 

 

리튬이온배터리는 이전 글에서 정리했지만 리튬이온과 전자가 Cathode와 Anode 사이를 왔다갔다하는 가역 이차전지에요

 

그럼 이 배터리가 평생 충/방전을 효율100%로 할 수 있을까요?

 

당연히 아닙니다.

 

배터리는 그 자체로 전기화학상태이기 때문에 여러가지 부반응이나 열에의한 노화가 일어나기 마련인데요

 

이런 배터리 열화 상태를, SOH(State of Health) 라고 합니다.

 

이 SOH는 SOC와 상당히 관계가 깊습니다.

 

 

 

배터리가 열화가 된다는 것은 SOC, 즉 용량이 줄어드는 것을 의미하고 이는 내 핸드폰의 배터리가 2년이지나면 빨리 닳는것과 동일한 의미입니다.

 

그럼 왜 이런 노화가 일어날까요?

 

SOH의 발생에는 아주~~많은 이유가있지만 그 중 하나인 양극재크랙을 설명드릴까합니다.

 

위의 이미지와 같이 양극은 Li,Co,O2의 각각 층계구조로 되어있고 음극은 Graphite(흑연) 층으로 구성되어 있습니다.

 

충전을 한다는 것은(이전 글 참조) Li원자가 이온화되어 분리막을넘어 에노드로 도달하는 것을 의미하는데요

 

이 과정에서 양극재의 Li가 산화되어 Li+가 되면 이 전자가 O2로가서 O-,O- 가 되게 됩니다.

 

이 -전하를 띠는 산소원자들사이에는 '척력'이 발생해서 결과적으로 양극재의 Li가 빠져나간 자리만큼 부피가 줄지만 다시 척력이 발생한만큼 늘게 되죠

 

즉, '부피변화'를 가지게 되는것입니다.

 

 

음극에서도 마찬가지입니다.

 

충전시, 리튬이온이 흑연 층계 사이사이에 끼면서 부피가 커지게 되겠죠

 

위 사이클이 많이 반복되면(충/방전 횟수가 많아지면) 양극과 음극의 부피가 팽창/축소를 반복하게 되고 이는 도전제,양극재,바인더의 조합에 Crack을 발생시킵니다.

 

이 Crack에 의해 비정상상태로 가게되고 시간이 지날수록 이 반응은 심해져서 SOC용량에 까지 영향을 주게 되는것이죠.

 

물론 이것은 한가지 원인일 뿐이고 SOC와 SOH에는 수많은 원인들이 존재합니다.

 

위와같은 이유로 휴대폰을 사용할때 0% -> 100%까지 완전 충전/완전 방전을 반복하게되면 당연히 양극재와 음극재의 부피 팽창/축소비도 커지게 되겠죠

 

50%부근에서 쓴다면 비율이 1에 근접할것입니다.

 

위와 같은 이유로 50% +-20%정도에서 사용하는것이 배터리 효율에 좋으며, 열화에도 좋게 되는 것입니다.