충전 후 리튬 배터리의 전압 강하가 일어나는 이유는 무엇인가? 전압강하가 크면 배터리 교체?

https://www.e-cigarette-forum.com/threads/mooch-musing-why-does-a-battery%E2%80%99s-voltage-drop-after-charging-is-done.930619/#:~:text=If%20the%20battery%20has%20an%20IR%20of%200.02,battery%20voltage.%20That%20is%20a%20TINY%20voltage%20drop.

 

여기에는 세 가지 원인이 있을 수 있다.
  1. 최종 위치로 자리잡는(settling) 리튬 이온(전압에 가장 큰 영향).
  2. 배터리의 내부 저항 즉 IR(internal resistance) (전압에 대한 작은 영향).
  3. 배터리 자체 방전(시간 경과에 따른 전압에 영향).

1. 리튬 이온 자리잡기
배터리가 충전됨에 따라 리튬 이온은 배터리의 양극(음극) cathode에서 음극(음극) anode로 이동하여 배터리가 나중에 방전될 때까지 작은 탄소 영역에 저장된다. 다시 배터리가 방전되면 이온은 배터리의 양극으로 다시 이동하게된다.

높은 충전 속도에서 배터리가 거의 완전히 충전됨에 따라 이온이 anode의 탄소 재료에 정착할 장소를 찾는 것이 점점 더 어려워진다. 이것은 말 그대로 이온이 배터리 내 어느 다른 부분보다 더 높은 밀도의 농도로 쌓이게 된다.

배터리의 서로 다른 부분에서의 이온 농도 차이는 배터리 단자에서 보다 증가된 전압 차이를 유발한다.

충전이 멈춘 후 쌓인 이온은 천천히 anode의 탄소에서 제 위치를 찾고 배터리 전체의 이온 분포가 균일해진다. 이는 추가 전압 증가를 해소하고 배터리가 실제 전압으로 떨어지게 되는 "유지(resting) 전압"입니다. 몇 분 안에 대부분의 방법으로 도달하지만 전압이 완전히 안정되는 데 몇 시간 또는 더 오래 걸릴 수 있다.

 

배터리의 유지 전압 강하 크기는 충전 전류 수준, 배터리 상태, 배터리 내부 저항 및 배터리 구성에 따라 다르다. 강하는 4.20V에서 약 4.18V로 떨어지거나 심지어는 4.15V 이하로 떨어질 수 있다.

급속 충전되지 않은 건강한 셀의 경우 배터리가 4.2V로 완전히 충전된 후 24시간 이내에 4.15V 아래로 떨어지지는 않을 것으로 예상된다. 만약 배터리 전압이 더 아래로 떨어지면 더 작은 완속 충전 전류 설정을 시도해 보기 바란다. 그래도 배터리 전압이 여전히 많이 떨어지면 배터리가 손상되었을 수 있다. 배터리를 재활용하든지 교체하기 바란다.

배터리 내부 저항
방전 시 전압 "강하"를 유발하는 배터리 내부의 내부 저항(IR)은 배터리 충전 시 전압 상승을 유발한다.

1A에서 충전하는 경우 충전기는 일반적으로 4.20V에 도달한 후 중지되고 전류는 0.1A의 1/10로 떨어진다. 배터리의 IR이 0.02옴(평균 18650의 경우 일반적)인 경우 옴의 법칙에 따르면 전압 상승 = (충전 전류) * (IR) = 0.1A * 0.02옴 = 0.002V가 된다.

( Typically a "good". 18650 cell would have a discharge IR of between 50 and 100 mohm (0.050 - 0.100 ohm)

구체적인 측정법은 다음 url 의 블로그를 참조하자.

https://blog.daum.net/ejleep1/1178?category=585354 )

따라서 충전이 중단되자마자 아주 작은 배터리 전압 0.002V가 강하된다. 그러나 충전기가 더 높은 전류 수준에서 멈추거나 배터리의 내부 저항이 더 높으면 이 전압 강하는 더 커질 수도 있다.

 

배터리가 4.20V에 도달하면 1A 충전 전류가 떨어지기 시작하기 전에 충전기에서 배터리를 일찍 빼면 즉각적인 전압 강하가 더 커질 수도 있다. 위의 예에서 1A에서 사용하면 전압 상승 = 1A * 0.02옴 = 0.02V이다. 따라서 디스플레이에 4.10V가 표시될 때 배터리를 빼면 즉시 4.08V로 떨어진다.

항상 기억해야 할 점은 일부 충전기 및 장치의 전압 표시 정확도가 상당히 나쁠 수 있다는 것이다(DNA 또는 Dicodes 보드가 있는 경우 제외). 괜찮은 멀티미터로 정확도를 테스트할 때까지 절대 신뢰하지 말자.


배터리 자체 방전
모든 배터리는 매우 느린 내부 "누설"로 인해 시간이 지남에 따라 천천히 충전량을 잃게된다. 배터리의 재료는 완벽한 절연체가 아니므로 배터리의 음극(배터리 충전 시 리튬 이온이 저장되는 곳)에서 배터리의 양극(배터리 방전 시 리튬 이온이 저장되는 곳)으로 소량의 전하가 흐른다.  배터리를 사용하지 않을 때도 마찬가지이다.

 

새 배터리에서 이 누출은 매우 느리다. 수십 마이크로 암페어(100만분의 1 암페어) 이하에 해당하지만 지속적으로 진행된다. 그러나 배터리가 오래되거나 심하게 사용하여 손상되면 올라간다.

이 자체 방전은 배터리가 충전기에서 잠시 떨어져 있지 않는 한 배터리 전압에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 결국에는 작은 효과가 있을 수 있습니다. 심하게 손상된 배터리는 며칠 이내에 매우 빠르게 자가 방전될 수 있으므로 교체해야 한다. 2.5V 미만으로 떨어진 리튬 이온 배터리는 사용, 충전 또는 복구하지 말도록 하자.

이 내부 누출은 장치가 "절전" 모드(3 또는 5개의 버튼 클릭)에 있음에도 불구하고 여전히 배터리에서 전류를 끌어오는 장치를 사용할 때 발생하는 것과는 매우 다릅니다. 일부 장치는 다른 장치보다 절전 모드에서 배터리를 훨씬 빠르게 소모하는 조정기 회로를 사용합니다. 하지만 배터리와 관련이 없습니다.

다음 날 충전이 완료된 후 전압이 약간 떨어진 배터리를 "탑오프(top off)"하고 싶을 수 있을 것이다. 기껏해야 배터리에 아주 짧은 시간을 추가하면 되지만 별 가치는 없느다고 볼 수 있다.

따라서 충전 완료 후 큰 전압 강하가 좋지는 않지만 배터리가 충전이 완료되면  4.15V 정도 이하로 내려가 4.20V를 유지하지 않는 것은 지극히 정상이다.

 

결론적으로 100% 충전 후 전류를 줄이거나 끌 경우 자연적으로 내부 저항에 의한 작은 전압 강하가 일어난다. 하지만 이 전압 강하가 의외로 클 경우 배터리 교체여부를 고려해야 할 것이다.