리튬 배터리는 높은 에너지 밀도와 낮은 사이클당 비용으로 인해 다른 배터리 화학 물질과 차별화됩니다. 그러나 "리튬 배터리"는 모호한 용어입니다. 리튬 배터리에는 약 6가지의 일반적인 화학 물질이 있으며 모두 고유한 장점과 단점이 있습니다. 재생 에너지 응용 분야의 경우 주요 화학 물질은 인산철리튬(LiFePO4)입니다. 이 화학 물질은 우수한 열 안정성, 높은 전류 정격, 긴 주기 수명 및 남용 내성과 함께 탁월한 안전성을 제공합니다.
리튬 철 인산염(LiFePO4)는 거의 모든 다른 리튬 화학 물질과 비교할 때 매우 안정적인 리튬 화학 물질입니다. 배터리는 자연적으로 안전한 양극재(인산철)로 조립됩니다. 다른 리튬 화학 물질과 비교하여 인산철은 강한 분자 결합을 촉진하여 극한의 충전 조건을 견디고 주기 수명을 연장하며 여러 주기에 걸쳐 화학적 무결성을 유지합니다. 이것이 이러한 배터리에 뛰어난 열 안정성, 긴 주기 수명 및 남용에 대한 내성을 부여하는 것입니다. LiFePO4 배터리는 과열되는 경향이 없고 '열폭주' 상태에 처하지도 않으므로 가혹한 취급 잘못 또는 가혹한 환경 조건에 노출될 때 과열되거나 발화되지 않습니다.
범람된 납산 및 기타 배터리 화학 물질과 달리 리튬 배터리는 수소 및 산소와 같은 위험한 가스를 배출하지 않습니다. 황산이나 수산화칼륨과 같은 부식성 전해질에 노출될 위험도 없습니다. 대부분의 경우 이러한 배터리는 폭발 위험 없이 제한된 공간에 보관할 수 있으며 적절하게 설계된 시스템은 능동 냉각 또는 환기가 필요하지 않아야 합니다.
리튬 배터리는 납산 배터리 및 기타 여러 배터리 유형과 같은 많은 셀로 구성된 어셈블리입니다. 납축전지의 공칭 전압은 셀당 2V인 반면 리튬 배터리 셀의 공칭 전압은 3.2V입니다. 따라서 12V 배터리를 얻으려면 일반적으로 4개의 셀을 직렬로 연결해야 합니다. 이렇게 하면 LiFePO4의 공칭 전압이 12.8V가 됩니다. 직렬로 연결된 8개의 셀은 공칭 전압이 25.6V인 24V 배터리를 만들고 16개의 셀을 직렬로 연결하여 공칭 전압이 51.2V인 48V 배터리를 만듭니다. 이러한 전압은 일반적인 12V, 24V 및 48V 인버터에서 매우 잘 작동합니다.
리튬 배터리는 충전 전압이 매우 유사하기 때문에 납산 배터리를 직접 교체하는 데 자주 사용됩니다. 4셀 LiFePO4 배터리(12.8V)의 최대 충전 전압은 일반적으로 14.4~14.6V입니다(제조업체 권장 사항에 따라 다름). 리튬 배터리의 독특한 점은 흡수 충전이 필요하지 않거나 상당한 시간 동안 일정한 전압 상태를 유지할 필요가 없다는 것입니다. 일반적으로 배터리가 최대 충전 전압에 도달하면 더 이상 충전할 필요가 없습니다. LiFePO4 배터리의 방전 특성도 독특합니다. 방전하는 동안 리튬 배터리는 일반적으로 부하를 받는 납산 배터리보다 훨씬 더 높은 전압을 유지합니다. 리튬 배터리가 완전 충전에서 75% 방전까지 1/10 볼트만 떨어지는 것은 드문 일이 아닙니다. 이것은 배터리 모니터링 장비 없이 얼마나 많은 용량을 사용했는지 알기 어렵게 만들 수 있습니다.
납산 배터리에 비해 리튬의 중요한 이점은 적자 사이클을 겪지 않는다는 것입니다. 본질적으로 이것은 배터리가 다음날 다시 방전되기 전에 완전히 충전될 수 없는 경우입니다. 이것은 납산 배터리의 매우 큰 문제이며 이러한 방식으로 반복적으로 순환할 경우 상당한 플레이트 열화를 촉진할 수 있습니다. LiFePO4 배터리 정기적으로 완전히 충전할 필요가 없습니다. 실제로 완전 충전 대신 약간의 부분 충전으로 전체 기대 수명을 약간 향상시킬 수 있습니다.
효율성은 태양광 발전 시스템을 설계할 때 매우 중요한 요소입니다. 평균 납축전지의 왕복 효율(완전에서 완전으로, 다시 완전으로)은 약 80%입니다. 다른 화학 물질은 훨씬 더 나쁠 수 있습니다. 리튬 철 인산염 배터리의 왕복 에너지 효율은 95-98% 이상입니다. 이것만으로도 겨울 동안 태양광 발전이 부족한 시스템에 대한 상당한 개선이며 발전기 충전으로 인한 연료 절약은 엄청날 수 있습니다. 납축전지의 흡수 충전 단계는 특히 비효율적이어서 효율이 50% 이하입니다. 리튬 배터리는 충전을 흡수하지 않는다는 점을 고려하면 완전 방전에서 완전 충전까지의 충전 시간은 2시간 이내입니다. 또한 리튬 배터리는 심각한 부작용 없이 정격에 따라 거의 완전히 방전될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 개별 셀이 과방전되지 않도록 하는 것이 중요합니다. 이것이 통합 배터리 관리 시스템(BMS)의 역할입니다.
리튬 배터리의 안전성과 신뢰성은 큰 관심사이므로 모든 어셈블리에는 통합 배터리 관리 시스템(BMS)이 있어야 합니다. BMS는 "안전한 작동 영역" 밖에서 작동하는 세포를 모니터링, 평가, 균형 및 보호하는 시스템입니다. BMS는 과전류, 저전압/과전압, 저/과온 등으로부터 배터리 내의 셀을 모니터링하고 보호하는 리튬 배터리 시스템의 필수 안전 구성요소입니다. LiFePO4 전지는 전지의 전압이 2.5V 미만으로 떨어지면 영구적으로 손상되며 전지의 전압이 4.2V 이상으로 증가하면 영구적으로 손상됩니다. BMS는 각 셀을 모니터링하여 저전압/과전압의 경우 셀의 손상을 방지합니다.
BMS의 또 다른 필수적인 책임은 충전하는 동안 팩의 균형을 유지하여 모든 셀이 과충전 없이 완전히 충전되도록 보장하는 것입니다. LiFePO4 배터리의 셀은 충전 주기가 끝날 때 자동으로 균형을 맞추지 않습니다. 셀을 통과하는 임피던스에는 약간의 변동이 있으므로 100% 동일한 셀은 없습니다. 따라서 순환할 때 일부 셀은 다른 셀보다 먼저 완전히 충전되거나 방전됩니다. 세포의 균형이 맞지 않으면 시간이 지남에 따라 세포 간의 분산이 크게 증가합니다.
납산 배터리에서는 하나 이상의 셀이 완전히 충전된 경우에도 전류가 계속 흐릅니다. 이것은 배터리 내에서 전기 분해가 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 결과입니다. 이 전류는 다른 셀을 완전히 충전하는 데 도움이 되므로 자연스럽게 모든 셀의 전하 균형을 유지합니다. 그러나 완전히 충전된 리튬 전지는 매우 높은 저항을 가지며 매우 적은 전류가 흐를 것입니다. 따라서 지연 셀은 완전히 충전되지 않습니다. 밸런싱하는 동안 BMS는 완전히 충전된 셀에 작은 부하를 적용하여 과충전을 방지하고 다른 셀이 따라잡을 수 있도록 합니다.
리튬 배터리는 다른 배터리 화학 물질에 비해 많은 이점을 제공합니다. 이는 다른 리튬 배터리 유형에서 발생할 수 있는 열 폭주 및/또는 치명적인 붕괴에 대한 두려움이 없는 안전하고 신뢰할 수 있는 배터리 솔루션입니다. 이러한 배터리는 매우 긴 수명을 제공하며 일부 제조업체에서는 최대 10,000사이클까지 배터리를 보증하기도 합니다. 연속 C/2 이상의 높은 방전 및 재충전 속도와 최대 98%의 왕복 효율로 인해 이러한 배터리가 업계에서 주목을 받고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 리튬 철 인산염(LiFePO4)은 완벽한 에너지 저장 솔루션입니다.
100 % 안전한 결제
