KR20180090242A - 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 관한 것으로서, 충전 시, 전압이 충전 상한전압에 도달하면 충전이 종결되는데, 전지 양극사이의 전지 충전 상한전압은 U=3Uo-Us-Uso이되, 그 중, Uso는 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 표준 안정전압이고; Us는 정전류로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 안정전압이며;Uo는 표준 충전 차단전압이다; 표준 안정전압 Uso의 선택은 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 이 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다. 본 발명의 충전방법은 급속하게 만충전 상태에 가까운 전기량을 충전하고; 표준 혹은 사용자의 방법으로 방전하여 더욱 긴 사이클 수명 혹은 동일한 사이클 횟수를 보유하며; 방전 시 출력되는 용량이 보다 큰 장점들을 가지고 있다.

Description

전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법
본 발명은 전지 충전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬이온 전지 및 리튬이온 폴리머 전지의 비-정전압 충전방법에 관한 것이다.
중국특허 CN101388477B는 급속 충전방법을 공개 하였는데, 충전 상한전압을 증가하여 전지 내부의 전압강하를 보상하는 리튬이온 전지의 충전방법으로, 리튬이온 전지 혹은 리튬이온 폴리머 전지의 충전 시, 전압이 충전 상한전압에 도달하면 충전이 종결되는데, 전지 양극사이의 전지 충전 상한전압은 U=2Uo-Us이되, 그 중, Us는 정전류로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 안정전압이고; Uo는 표준 충전 차단전압으로, 업계에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전 방식에 사용되는 충전 차단전압이며; 안정전압 Us의 선택은 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대 부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 이 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정하였다.
상기 방법을 리튬 안산철 전지에 적용할 경우, Uo는 업계에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전 방식에 사용되는 충전 차단전압 3.60V이고, 충전 상한전압 U=2Uo-Us까지 충전하여도 전지를 만충전하지 못하고 만충전압의 88%에만 도달하기에 전지의 효율성을 충분히 높이지 못하였다. 리튬 안산철 전지가 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전방식에 사용되는 충전 차단전압 Uo는 3.50V, 3.65V, 3.7V도 있는데, 충전 상한전압 U=2Uo-Us까지 충전할 때 모두 전지를 만충전하지 못하고 전지의 효율성을 충분히 높이지 못하였다.
상기 벙법을 리튬 코발트 산화물 전지에 적용할 경우, Uo는 업계에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전방식에 사용되는 충전 차단전압 4.20V이고, 충전 상한전압 U=2Uo-Us까지 충전할 때 전지를 만충전하지 못하고 만충전압의 97%에만 도달하기에 전지의 효율성을 충분히 높이지 못하였다.
그리하여, 전지의 효율성을 높이기 위하여 전지의 충전 상한전압에 대한 일정의 보정이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 목표는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법을 제공하여 전지의 효율성을 충분히 높이는데 있다.
정의
이상적인 충전은 정전압 정전류 방식으로 리튬이온 전지에 충전하고, 충전회로를 차단한 후, 리튬이온 전지의 개로 안정전압이 정전압 충전전압에 도달하는 것이다. 이론적으로, 정전압 정전류 방식의 리튬이온 전지에 대한 충전은, 정전압으로 전류가 무한소에 될 때까지 충전하고, 충전회로를 차단한 후, 리튬이온 전지의 개로 안정전압이 정전압 충전전압에 도달할 수 있는 것이다. 실질적으로, 정전압 정전류 방식의 리튬이온 전지에 대한 충전은, 정전압으로 리튬이온 전지의 소모전류까지 충전하면, 리튬이온 전지의 충전전류는 소모전류와 동적인 균형상태를 유지하는데, 충전회로를 차단한 후 리튬전지의 개로 안정전압은 정전압 충전전압에 매우 인접할 수 있다.
표준 안정전압: 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 Uo까지 정전류로 충전한 후, 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 정전압으로 충전하고 충전을 종결한다: 전지의 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작될 때부터 시간을 측정하고, 전지는 어느 시간대부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 이 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Uso로 정한다.
리튬이온의 자유도는 리튬이온이 양극에서 자유로 활동하는 정도이다. 리튬이온 전지의 충전과정 중, 리튬이온은 양극에서 탈리하여 전해질을 통하여 음극에 삽입된다. 리튬이온은 양극 격자중에 자유로 분포되어 적절한 위치로 찾아가는데, 탈리과정 중에서, 거리가 가깝고 자유도가 높은 리튬이온은 먼저 탈리되는 반면, 거리가 멀고 자유도가 낮은 리튬이온은 나중에 탈리되고 양극의 단속을 크게 받는 리튬이온은 자유도가 낮아 탈리가 어렵거나, 더 큰 충전 에너지가 있어야 탈리가 가능하다.
원리
CN101388477B에서 제시한 충전방법은, U=2Uo-Us=Uo+（Uo-Us）까지 충전하고 종결하는 방식으로 전지 내부의 전압강하（Uo-Us）를 보상하는데, 상기 전압강하（Uo-Us）는 정전류 I로 Uo까지 충전한 후 정치하면서 발생한 것이고; 전류 I에 대응되는 옴의 전압강하, 농도차편극 전압강하, 전기화학편극 전압강하 및 기타 저항 전압강하만 보상하고, 정전류 I로 Uo까지 만충전 되지 못한 것을 고려하지 않았고, 자유도가 낮은 리튬이온의 탈리를 고려하지 않았기에 보상한 압력강하는 전지를 100% 만충전까지 충전을 할 수 없어 이상적인 충전상태가 아니다. CN101388477B에서 제시한 충전방법은 설비 및 측정에서 발생한 오차의 영향을 고려하지 않았다. 100% 만충전이란, 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 Uo까지 정전류로 충전하고, 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 정전압으로 충전하여 충전을 종결한 후, 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 방전할 때, 출력된 용량이 100%이면, 그 방전 전의 충전상태를 100% 만충전 상태라고 한다. U=2Uo-Us=Uo+（Uo-Us）에 （Uo-Uso）를 추가하여 전류 I로 U=Uo+（Uo-Us）+（Uo-Uso）=3Uo-Us-Uso까지 충전하는 것은, 자유도가 매우 낮은 리튬이온의 탈리를 고려하였고, 이러야만 전지를 100% 만충전 상태에 인접하게 충전할 수 있으며, 설비 및 측정에서 발생한 오차의 영향을 줄여 가장 이상적인 충전상태를 실현할 수 있다.
과제의 해결수단
표준적인 정전류 정전압 충전방법으로 전지를 만충전까지 충전한 후 개로 정치하면, 리튬 안산철 전지의 표준 안정전압은 충전 차단전압과 차이가 크고, 리튬 코발트 산화물 전지의 표준 안정전압은 표준 충전 차단전압과 차이가 작은 것을 발견할 수 있는데, 이는 리튬 안산철 전지의 만충전 수준이 낮고, 리튬 코발트 산화물 전지의 만충전 수준이 높은 것과 직접적으로 상관된다.
전지의 효율을 높이고 만충전 하기 위하여 기존의 U=Uo+(Uo-Us)에 보정값(Uo-Uso)을 추가하는데, 보정 및 보상 전압은:
U=Uo+(Uo-Us)+(Uo-Uso)=3Uo-Us-Uso이다.
이에 근거하여 리튬 안산철 전지 및 리튬 코발트 산화물 전지에 충전할 때 보정 및 보상 전압을 통하여 전지를 100%까지 충전할 수 있다.
동일한 방법으로 삼원 리튬이온 전지, 리튬 망간 산화물 전지, 리튬 티타늄 산화물 전지에 대하여 실험을 진행하였는데 모두 동일과 효과를 거두었다.
전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 전지 충전 시, 전압이 전지의 충전 상한전압에 도달하면 충전을 종결하는데, 그 특징으로는 전지 양극사이의 충전 상한전압을 U=3Uo-Us-Uso로 설정하는데 있다..
Uso는 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 표준 안정전압인데, 그 값의 선택은 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대 부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압은 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다.
구체적으로, 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 Uo까지 정전류로 충전한 후, 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 정전압으로 충전하고 충전을 종결한다: 전지의 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작될 때부터 시간을 측정하고, 전지는 어느 시간대부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 이 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다.
Us는 정전류로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 안정전압인데, 그 값의 선택은 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압은 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정한다.
Uo는 표준 충전 차단전압으로, 업계에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전 방식에 사용되는 충전 차단전압이다.
하나의 개선방안으로, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 전지는 전류의 정전류 방식으로 U=3Uo-Us-Uso까지 충전하고 종결할 수 있다.
또 다른 개선방안으로, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에서 전지는 다단계 정전류 방식으로 U=3Uo-Us-Uso까지 충전한 후 종결하고, Us는 충전 종결 전의 마지막 단계의 전류를 측정하여 정한다.
또 다른 개선방안으로, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에서, 전지는 비-정전류 방식으로 U=3Uo-Us-Uso까지 충전한 후 종결하고, Us는 충전 종결 전의 마지막 단계의 전류를 측정하여 정한다.
Uso의 측정방법으로, 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 5분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 5분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 2mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다.
Uso의 또 다른 측정방법으로, 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대 부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다.
표준 안정전압 Uso는 표준 충전 차단전압 Uo 및 표준 충전 차단전류와 상관되고, 충전배율과 관련이 작거나 거의 없는 것을 명확해야 한다.
널리 알려진 바와 같이, 리튬 안산철 전지에 있어서 표준 충전 차단전압 Uo는 3.5V, 3.6V, 3.65V, 3.7V일 수 있는데, 서로 다른 Uo는 서로 다른 표준용량 C0 을 수 있다. 표준용량은 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 Uo까지 정전류로 충전하고 정전압으로 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 충전 후 충전을 종결하여, 표준 혹은 제조사에서 규정한 전류로 표준 혹은 제조사에서 규정한 차단전류까지 방전하는데, 이 때 출력된 용량을 표준용량 C0 로 한다. 리튬 안산철 전지의 표준 충전 차단전압 Uo는 널리 알려진 값을 선택할 수 있고, 급속 충전할 경우 표준용량 C0 에 가까운 전기량을 충전하기 위하여 보정 및 보상 전압의 값이 U=Uo+(Uo-Us)+(Uo-Uso)=3Uo-Us-Uso인 충전방법을 적용한다.
널리 알려진 바와 같이, 리튬 코발트 산화물 전지의 가장 통상적인 표준 차단전압 Uo는 4.2V이고, 현재 4.3V 및 4.35V의 고전압 리튬 코발트 산화물 전지는 개발되었고, 4.4V 및 4.5V 고전압 리튬 코발트 산화물 전지는 개발 중인데, 이에 대응되는 표준 충전 차단전압 Uo는 각각 4.3V、4.35V、4.4V、4.5V이고, 각 Uo마다 서로 다른 표준용량 C0 를 얻을 수 있다. 전압이 다른 리튬 코발트 산화물 전지에 대응되는 널리 알려진 표준 충전 차단전압 Uo를 선택할 수 있고, 급속 충전할 경우 표준용량 C0 에 가까운 전기량을 신속하게 충전하기 위하여 보정 및 보상 전압의 값이 U=Uo+(Uo-Us)+(Uo-Uso)=3Uo-Us-Uso인 충전방법을 적용한다.
널리 알려진 바와 같이, 삼원 리튬이온 전지(리튬 니켈 코발트 망간 산화물 전지)의 통상적인 표준 차단전압 Uo는 4.2V이고, 현재 4.3V 및 4.35V의 고전압 삼원 리튬이온 전지를 개발하는 중인데, 이에 대응되는 표준 충전 차단전압 Uo는 각각 4.3V、4.35V이고, 각 Uo마다 서로 다른 표준용량C0 를 얻을 수 있다. 전압이 다른 삼원 리튬이온 전지에 대응되는 널리 알려진 표준 충전 차단전압 Uo를 선택할 수 있고, 급속 충전할 경우 표준용량 C0 에 가까운 전기량을 신속하게 충전하기 위하여 보정 및 보상 전압의 값이 U=Uo+(Uo-Us)+(Uo-Uso)=3Uo-Us-Uso인 충전방법을 적용한다.
특별히, 리튬 코발트 산화물 전지의 Uo값이 4.2V(도2 참조)인 경우, Uo≒Uso, U≒Uo+(Uo-Us)까지 충전한 후 종결하여도 정전류 정전압으로 4.2V까지 충정한 것과 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 리튬 코발트 산화물 전지의 Uo값이 4.2V일 때 보정값(Uo-Uso)를 고려하지 않을 수 있다. 하지만, 기타 표준 충전 차단전압 Uo는 도3에서 제시한 Uo=4.35V인 경우와 같이, Uo와 Uso의 차이가 커서 보정값(Uo-Uso)을 고려하여야 100% 만충전 상태까지 충전이 가능하다.
종래의 비-정전압 충전방법과 비교할 때, 본 발명의 효과는 아래와 같다.
1. 리튬이온 전지를 급속하게 만충전에 가까운 상태로 충전할 수 있다;
2. 본 발명의 충전방법은 여러 가지 리튬이온 전지에 적용할 수 있고, 거의 100% 충전하며, 전지의 효율을 높일 수 있다.
3. 본 발명의 리튬이온 전지의 충전방법은, 동일 배율 전류의 정전류 정전압 충전과 비교하였을 때, 더욱 긴 사이클 수명 혹은 동일한 사이클 횟수를 가지고 있고, 또한 본 발명의 충전방법은 방전 시 보다 많은 용량을 출력할 수 있다.
4. 본 발명의 충전방법으로 충전회로를 설계하여 충전기를 제작할 수 있다.
5. 본 발명의 방법으로 전자 소자를 제작하여 셀과 조립하여 사용할 수 있다.
도1은 리튬 안산철 전지를 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 표준 차단전압 Uso의 곡선 및 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 안정전압 Us의 곡선을 나타낸 도면이다.
도2는 리튬 코발트 산화물 전지를 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 표준 차단전압 Uso의 곡선 및 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 안정전압 Us의 곡선을 나타낸 도면이다.
도3은 4.35V 고전압 리튬 코발트 산화물 전지를 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 표준 차단전압Uso의 곡선 및 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 안정전압 Us의 곡선을 나타낸 도면이다.
아래에서는 비교예 및 실시예를 참고로 본 발명에 대하여 상세히 설명하여 본 발명의 구체적인 실현방식 및 장점을 제시하고자 한다.
비교예1.1: 리튬 안산철 전지, 표준 충전방법
402045Fe15C는 고율형 3.2V190mAh 리튬 안산철 전지로, LiFePO4/C계의 단위전지（Uo=3.6V）이고, 정격 용량은 Cr=190mAh이며, GB/T18287-2013표준 충전방법을 참조하여,
1. 정전류 38mA（0.2C）으로 3.6V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 3.6V로 전환하여, 전류가 3.8mA（0.02C）으로 감소될 때까지 충전하여 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
2. 정전류 38mA（0.2C）으로 2.0V까지 방전하고, 방전용량 Cd를 기록한다; (이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다.)
3. 순환:
3.1. 정전류 1140mA으로 3.6V에 이를 때까지 충전한 후, 정전압 3.6V로 전환하여, 전류가 3.8mA으로 감소될 때까지 충전한다.
3.2. 5min 정치한다.
3.3. 정전류 1140mA으로 2.0V에 이를 때까지 방전한다.
3.4. 5min 정치한다.
3.5. 단계 3.1 내지 단계 3.4를 1000번 순환한다.
3.6. 종결한다.
비교예1.2: 리튬 안산철 전지, CN101388477B 충전방법
비교예1.1의 전지와 같이, t=10min 내에 충전을 완료하고자 하고, CN101388477B에서 공개한 급속 충전방법에 근거하여, 소요되는 정전류 충전전류는 I=Cr/t*60=190/10*60=1140mA（6C배율）이다.
1. 안정전압 측정: 정전류 1140mA으로 3.6V에 이를 때까지 충전한 후, 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 안정전압 Us를 측정하는데, 안정전압 Us의 곡선은 도1에 제시되어 있다; 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정한다;
정전류 38mA（0.2C）으로 2.0V에 이를 때까지 방전한다.(이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 정전류 1140mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한 후 종결하여 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다；
4. 정전류 38mA（0.2C）으로 2.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환:
5.1. 정전류 1140mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 1140mA 으로 2.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 1000번 순환한다.
5.6. 종결한다.
실시예 1： 리튬 안산철 전지, 본 발명의 방법은,
비교예1.1의 전지와 동일하게, 비교예1.2에서 측정된 안정전압 Us를 사용한다;
1. 표준 안정전압의 측정: 정전류 38mA（0.2C）으로 3.6V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 3.6V로 전환하여 전류가 3.8mA（0.02C）으로 감소될 때까지 충전한 후 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 표준 안정전압 Uso를 측정하는데, 표준 안정전압 Uso의 곡선은 도1에 제시되어 있다; 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다;
2. 정전류 38mA（0.2C）으로 2.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 10min 내에 충전을 완료하고자 할 경우, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 소요되는 정전류 충전전류는 1140mA（6C배율）이고, U=3Uo-Us-Uso에 도달하면 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
4. 정전류 38mA（0.2C）으로 2.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환:
5.1. 정전류 1140mA으로 3Uo-Us-Uso까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 1140mA 으로 2.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 1000번 순환한다.
5.6. 종결한다.
비교예1.1, 비교예 1.2, 실시예 1의 테스트 결과는 표 1와 같다.
비교예1.1, 비교예 1.2, 실시예 1 테스트 결과
비교예 1.1 바교예 1.2 실시예 1
Uo(V) 3.6 3.6 3.6
Us(V) ―― 3.312 3.312
Uso(V) ―― ―― 3.340
충전전류(mA) 38 1140 1140
충전 차단전류(mA) 3.8 1140 1140
충전 상한전압(V) 3.6 3.888 4.148
충전시간 Tc(min) 338 9.2 10.5
충전용량 Cc(mAh) 198 175 199
방전용량 Cd(mAh) 197 174 198
만충전 수준 100% 88.3% 100.5%
1000번 순환 후의 용량 유지율 85.2% 88.4% 89.3%
만충전 수준: 표준 충전방법으로 충전하고, 표준 방전방법으로 방전하여 출력된 용량을 100%로 하고; 비-표준 충전방법으로 충전하고, 표준 방전방법으로 방전하여 출력된 용량을 표준 방전용량과 비교한 비율을 만충전 수준으로 한다.
비교예2.1: 리튬 코발트 산화물 전지, 표준 충전방법
703048H10C는 고율형 3.7V800mAh 리튬이온 폴리머 전지로, LiCoO2/C 단위전지（Uo=4.2V）이고, 정격 용량은 Cr=800mAh이며, GB/T18287-2013표준 충전방법을 참조하고,
1. 정전류 160mA（0.2C）으로 4.2V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 4.2V로 전환하여 전류가 16mA（0.02C）으로 감소될 때까지 충전하여, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
2. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 순환:
3.1. 정전류 4800mA으로 4.2V에 이를 때까지 충전한 후, 정전압4.2V로 전환하여 전류가 16mA으로 감소될 때까지 충전한다.
3.2. 5min 정치한다.
3.3. 정전류 4800mA으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
3.4. 5min 정치한다.
3.5. 단계 3.1 내지 단계 3.4를 500번 순환한다.
3.6. 종결한다.
비교예2.2: 리튬 코발트 산화물 전지, CN101388477B충전방법
비교예2.1의 전지와 동일하게, t=10min 내에 충전을 완료하고자 하고, CN101388477B에서 공개한 급속 충전방법에 근거하여, 소요되는 정전류 충전전류는 I=Cr/t*60=800/10*60=4800mA（6C배율）이고,
1. 안정전압 측정: 정전류 4800mA으로 4.2V에 이를 때까지 충전한 후, 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 안정전압 Us를 측정하는데, 안정전압 Us의 곡선은 도2에 제시되어 있다; 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정한다;
2. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 정전류 4800mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한 후 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
4. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환:
5.1. 정전류 4800mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 4800mA 으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 500번 순환한다.
5.6. 종결한다.
실시예 2： 리튬 코발트 산화물 전지, 본 발명의 방법은,
비교예2.1의 전지와 동일하게, 비교예2.2에서 측정된 안정전압 Us를 사용하고;
1. 표준 안정전압의 측정: 정전류 160mA（0.2C）으로 4.2V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 4.2V로 전환하여 전류가 16mA（0.02C）로 감소될 때까지 충전한 후 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 표준 안정전압 Uso를 측정하는데, 표준 안정전압 Uso의 곡선은 도2에 제시되어 있다; 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다;
2. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 10min 내에 충전을 완료하고자 할 경우, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 소요되는 정전류 충전전류는 4800mA（6C배율）이고, U=3Uo-Us-Uso에 도달하면 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다.
4. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환.
5.1. 정전류 4800mA으로 3Uo-Us-Uso까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 4800mA 으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 500번 순환한다.
5.6. 종결한다.
비교예2.1, 비교예 2.2, 실시예 2의 테스트 결과는 표 2와 같다.
비교예2.1, 비교예 2.2, 실시예 2 테스트 결과
비교예2.1 비교예 2.2 비교예 2
Uo(V) 4.2 4.2 4.2
Us(V) ―― 4.016 4.016
Uso(V) ―― ―― 4.196
충전전류(mA) 160 4800 4800
충전 차단전류(mA) 16 4800 4800
충전 상한전압(V) 4.2 4.384 4.388
충전시간 Tc(min) 344 10.0 10.3
충전용량 Cc(mAh) 826 802 824
충전용량 Cd(mAh) 825 801 823
만충전 수준 100% 97.1% 99.8%
500번 순환 후의 용량 유지율 81.3% 85.2% 86.3%
비교예3.1: 4.35V 고전압 리튬 코발트 산화물 전지, 표준 충전방법
601250HV10C는 4.35V 고전압형 235mAh 리튬이온 폴리머 전지로, LiCoO2/C 단위전지（Uo=4.35V）이고, 정격 용량은 Cr=800mAh이며, GB/T18287-2013표준 충전방법을 참조하고,
1. 정전류 47mA（0.2C）으로 4.35V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 4.2V로 전환하여 전류가 4.7mA（0.02C）으로 감소될 때까지 충전하여, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
2. 정전류 47mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 순환:
3.1. 정전류 470mA으로 4.35V에 이를 때까지 충전한 후, 정전압 4.35V로 전환하여, 전류가 4.7mA으로 감소될 때까지 충전한다.
3.2. 5min 정치한다.
3.3. 정전류 470mA으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
3.4. 5min 정치한다.
3.5. 단계 3.1 내지 단계 3.4를 500번 순환한다.
3.6. 종결한다.
비교예3.2: 4.35V 고전압 리튬 코발트 산화물 전지, CN101388477B 충전방법
비교예 3.1의 전지와 같이, t=30min 내에 충전을 완료하고자 하고, CN101388477B에서 공개한 급속 충전방법에 근거하여, 소요되는 정전류 충전전류는 I=Cr/t*60=235/30*60=470mA（2C배율）이고,
1. 안정전압 측정: 정전류 470mA으로 4.35V에 이를 때까지 충전한 후 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 안정전압 Us를 측정하는데, 안정전압 Us의 곡선은 도3에 제시되어 있다; 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 5분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 5분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 2mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정한다.
2. 정전류 47mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다)
3. 정전류 470mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한 후 종결하고 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
4. 정전류 47mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환
5.1. 정전류 470mA으로 2Uo-Us에 이를 때까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 470mA 으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 500번 순환한다.
5.6. 종결한다.
실시예 3：4.35V 고전압 리튬 코발트 산화물 전지, 본 발명의 방법은,
비교예 3.1의 전지와 동일하게, 비교예 3.2에서 측정된 안정전압 Us를 사용한다;
1. 표준 안정전압의 측정: 정전류 47mA（0.2C）으로 4.35V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 4.35V로 전환하여 전류가 4.7mA（0.02C）으로 감소될 때까지 충전한 후 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 표준 안정전압 Uso를 측정하는데, 표준 안정전압 Uso의 곡선은 도3에 제시되어 있다; 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 5분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여,5분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 2mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다;
2. 정전류 47mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다)
3. 30min 내에 충전을 완료하고자 할 경우, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 소요되는 정전류 충전전류는 470mA（2C배율）이고, U=3Uo-Us-Uso에 도달하면 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다;
4. 정전류 47mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다;(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다)
5. 순환
5.1. 정전류 470mA으로 3Uo-Us-Uso까지 충전한다.
5.2. 5min 정치한다.
5.3. 정전류 470mA 으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.4. 5min 정치한다.
5.5. 단계 5.1 내지 단계 5.4를 500번 순환한다.
5.6. 종결한다.
비교예3.1, 비교예 3.2, 실시예 3의 테스트 결과는 표 3과 같다.
비교예3.1, 비교예 3.2, 실시예 3 테스트 결과
비교예3.1 비교예 3.2 실시예 3
Uo(V) 4.35 4.35 4.35
Us(V) ―― 4.216 4.216
Uso(V) ―― ―― 4.333
충전전류(mA) 47 470 470
충전 차단전류(mA) 4.7 470 470
충전 상한전압(V) 4.2 4.484 4.501
충전시간 Tc(min) 341 30.8 31.4
충전용량 Cc(mAh) 245 239 246
방전용량 Cd(mAh) 244 238 245
만충전 수준 100% 97.5% 100.4%
500번 순환 후의 용량 유지율 75.4% 78.2% 78.3%
실시예 4： 리튬 코발트 산화물 전지, 본 발명의 다단계 정전류 충전방법, 전단계의 충전전류는 10C이고, 후단계의 충전전류는 6C이다.
비교예2.1의 전지와 동일하게, 비교예2.2에서 측정된 안정전압 Us를 사용하고;
1. 안정전압의 측정: 정전류 160mA（0.2C）으로 4.2V에 이를 때까지 충전하고, 정전압 4.2V로 전환하여 전류가 16mA（0.02C）로 감소될 때까지 충전한 후 종결하고, 개로 전압을 테스트하여, 표준 안정전압 Uso를 측정하는데, 표준 안정전압 Uso의 곡선은 도2에 제시되어 있다; 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 시간대부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정한다;
2. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다; (이 단계는 전 단계에서 충전된 용량을 출력하여 전지를 충전대기 상태로 하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
3. 다단계 정전류로 전단계는 10C 전류, 후단계는 6C전류로 10min 내에 충전을 완료하고자 할 경우, 본 발명의 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법에 있어서, 전단계에서 소요되는 정전류 충전전류는 8000mA（10C배율）이고, 3min 충전하며; 후단계에서 소요되는 정전류 충전전류는 4800mA（6C배율）이고, U=3Uo-Us-Uso에 도달하면 종결하고, 충전시간 Tc 및 충전용량 Cc를 기록한다.
4. 정전류 160mA（0.2C）으로 3.0V에 이를 때까지 방전하고 방전용량 Cd를 기록한다(이 단계는 충전 후 출력가능한 용량을 측정하기 위한 것으로 충전방법의 필수단계는 아니다);
5. 순환.
5.1. 정전류 8000mA으로 3min 충전한다.
5.2. 정전류 4800mA으로 3Uo-Us-Uso까지 충전한다.
5.3. 5min 정치한다.
5.4. 정전류 4800mA 으로 3.0V에 이를 때까지 방전한다.
5.5. 5min 정치한다.
5.6. 단계 5.1 내지 단계 5.5를 500번 순환한다.
5.7. 종결한다.
비교예2.1, 비교예 2.2, 실시예 4의 테스트 결과는 표 4와 같다.
비교예2.1, 비교예 2.2, 실시예 4 테스트 결과
비교예2.1 비교예 2.2 실시예 4
Uo(V) 4.2 4.2 4.2
Us(V) ―― 4.016 4.016
Uso(V) ―― ―― 4.196
충전전류(mA) 160 4800 （1）8000
（2）4800
충전 차단전류(mA) 16 4800 4800
충전 상한전압(V) 4.2 4.384 4.388
충전시간 Tc(min) 344 10.0 8.3
충전용량 Cc(mAh) 826 802 825
방전용량 Cd(mAh) 825 801 824
만충전 수준 100% 97.1% 99.9%
500번 순환 후의 용량 유지율 81.3% 85.2% 86.2%
구체적인 실시과정에서, 선택적으로, 1. 매개 전지의 매번 충전 전에 Us, Uso를 측정하고, 본 발명(혹은 CN101388477B)의 방법으로 충전할 수 있는데 이는 매우 번거롭다; 2. 매개 전지 충전 전에 Us, Uso를 측정하고 본 발명(혹은 CN101388477B)의 방법으로 충전할 수 있는데 이 또한 매우 번거롭다; 3, 전지 모델별로 충전 전에 Us, Uso를 측정하고, 상기 해당 모델의 매개의 전지를 매번 충전 시, 본 발명(혹은 CN101388477B)의 방법으로 충전할 수 있는데 이는 매우 간편하다. 전지의 모델에 따라, 혹은 전지의 충전횟수에 따라 전지마다 미세한 차이가 있으나 본 발명의 실시에 영향을 미치지 않고; 본 발명은 100%에 가깝게 충전할 수 있으나, 매개 전지의 매번 충전 시 모두 100% 만충전에 도달하는 것은 보장하지 않는다.
구체적인 실시과정에서 전지가 완전히 방전된 후 충전할 필요 없이, 절반 혹은 이상으로 충전된 상태에서도 본 벌명의 방법으로 충전할 수 있고; 만충전 상태에서는 더 이상 충전할 필요없다.
이상 명세서에서 제시한 내용을 통하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 상술된 실시방식을 여러 형태로 구현할 수 있는데, 예를 들면, 리튬이온 전지, 팩, 충전회로, 충전기, 충전제어소자 등 제품에 이용할 수 있다. 그리하여, 본 발명은 상술된 구체적인 실시방식에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (7)

  1. 전지 충전 시, 전압이 충전 상한전압에 도달하면 충전을 종결함에 있어서,
    전지 양극사이의 충전 상한전압은 U=3Uo-Us-Uso이고, 그 중,
    Uso는 정전류 정전압으로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 표준 안정전압인데, 그 값의 선택은 정전류 정전압 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대 부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압은 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정하고;
    Us는 정전류로 Uo까지 충전한 후 전지 전압강하의 안정전압인데, 그 값의 선택은 정전류 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 전지는 어느 시간대 부터 시작하여, 어느 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 소정의 수치보다 낮으면 전지의 전압은 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 안정전압 Us로 정하며;
    Uo는 표준 충전 차단전압으로, 업계에서 통상적으로 사용하는 저율 정전류-정전압 충전 방식에 사용되는 충전 차단전압인 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  2. 제1항에 있어서, 정전류 방식으로 전지 상한전압 U까지 충전하고 종결하는 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  3. 제1항에 있어서, 전지는 다단계 정전류 방식으로 전지의 상한전압 U까지 충전한 후 종결하고, Us는 충전이 종결되는 이전의 마지막 단계의 전류를 측정하여 정하는 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  4. 제1항에 있어서, 전지는 비-정전류 방식으로 전지의 상한전압 U까지 충전한 후 종결하고, Us는 충전이 종결되는 이전의 마지막 단계의 전류를 측정하여 정하는 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  5. 제1항에 있어서, 정전류 정전압으로 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하여, 5분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 5분의 시간대 부터 시작하여, 5분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 2mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정하는 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  6. 제1항에 있어서, 정전류 정전압으로 충전이 종결되고 정치가 시작된 후부터 시간을 측정하고, 10분을 하나의 시간대로 정하고, 전지가 어느 10분의 시간대 부터 시작하여, 10분 시간대 내의 개로 전압의 전압강하가 1mV보다 낮으면 전지의 전압이 안정상태에 도달한 것으로, 상기 시간대의 첫 시점에 대응되는 전압을 전지의 표준 안정전압 Uso로 정하는 것을 특징으로 하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
  7. 제1항에 있어서, 전지가 리튬 코발트 산화물 전지이고 Uo의 값이 4.2V인 경우, Uo ≒ Uso이고, Uo+(Uo-Us)까지 충전한 후 종결되는 것을 특징으로하는 전압의 보정 및 보상을 위한 리튬이온 전지의 비-정전압 충전방법.
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