리튬 배터리와 알카라인 배터리의 차이점은 무엇입니까?

나는 지난 겨울 위스콘신에 있는 냉장 보관소의 조달 관리자로부터 전화를 받았습니다. 배터리 손상으로 환경감시 센서 8개를 잃어버렸고, 무엇이 잘못됐는지 알 수 없어 답답함을 느꼈다. 그의 팀은 Duracell ProCell 알카라인을 사용하여 충분히 보수적인 분기별 교체 일정을 운영하고 있었습니다. 센서의 배터리 등급이 지정되었고 유지 관리 간격이 문서화되었으며 모든 것이 서류상으로 정확하게 보였습니다.

 

문제는 온도였습니다. 냉동 식품 보관의 표준인 -18도에서 알카라인 배터리는 데이터시트에서 제안하는 대로 작동하지 않습니다. 용량은 정격의 10~20%로 떨어지며 알카라인 셀이 추운 환경에서 부분적으로 방전되면 누출이 발생합니다. 수산화칼륨 전해질은 몇 주에 걸쳐 센서 접점을 통해 부식되었습니다. 누군가가 예정된 유지 관리를 위해 장치를 열었을 때 부식이 회로에 퍼졌습니다. 총 손실액은 약 12,000달러입니다.

그는 단가 계산을 하고, 호환성 사양을 확인하고, 모든 일반적인 조달 단계를 따랐습니다. AA 배터리를 구입할 때 저온 성능에 대해 묻는 사람이 아무도 없기 때문에 온도 문제는 표면화되지 않았습니다.

그 대화가 바로 제가 이 글을 쓰는 이유입니다. 리튬과 알칼리의 차이는 화학적 수준에서는 복잡하지 않지만 성능에 미치는 영향은 실제 구매 결정을 내리는 데 도움이 되지 않는 일반적인 비교 콘텐츠에 묻혀 있습니다.

짧은 버전

더 긴 버전에는 이러한 차이점이 존재하는 이유와 실제로 특정 애플리케이션에 중요한 시기를 이해하는 것이 포함됩니다. 내가 본 조달 실수의 대부분은 약점이 노출되는 사용 사례에 잘못된 배터리 유형을 적용하는 데서 발생합니다.

부하에 따른 용량: 실제 차이가 나타나는 곳

대부분의 배터리 비교는 에너지 밀도와 전압에 중점을 둡니다. 그 숫자는 중요하지만 기업이 돈을 잃는 곳은 아닙니다. 실제로 운영 비용에 영향을 미치는 문제는 장치의 현재 소비량에서 실제로 사용할 수 있는 정격 용량이 얼마나 되는지입니다.

알카라인 AA 셀의 정격은 약 3000mAh입니다. 이 등급은 일반적으로 25mA 이하의 낮은 전류에서의 방전 테스트에서 비롯됩니다. 대부분의 창고에서 사용하는 휴대용 스캐너는 500-800mA를 끌어옵니다. 양방향 라디오는 비슷하거나 더 높게 당깁니다. 800mA 방전 시 3000mAh 알카라인 셀은 1000mAh 정도의 사용 가능한 에너지를 제공합니다. 액세스할 수 없는 용량에 대한 비용을 지불하고 있습니다.

그 이유는 내부 저항 때문이다. 새 알카라인 셀의 내부 저항은 약 0.15Ω으로 그다지 중요하지 않을 정도로 낮습니다. 그러나 알칼리성 화학에는 조달 측면에서 충분히 논의되지 않는 특성이 있습니다. 즉, 셀이 방전됨에 따라 내부 저항이 증가합니다. 이론 용량의 90%를 사용했을 때 내부 저항은 0.75Ω 이상으로 올라갔습니다. 높은 전류 소모량에서 해당 저항은 남은 저장된 에너지의 상당 부분을 유용한 출력이 아닌 열로 변환합니다. 배터리가 고갈됐다는 의미에서 완전히 방전된 것은 아닙니다. 더 이상 유용한 전압에서 전류를 전달할 수 없다는 점에서 죽은 것입니다.

리튬 화학에서는 이 문제가 거의 같은 수준으로 발생하지 않습니다. 내부 저항은 방전 주기 동안 상대적으로 안정적으로 유지됩니다. 즉, 원격 제어용으로 100mA를 사용하든 전동 공구용으로 2A를 사용하든 관계없이 3500mAh 리튬 셀이 실제로 3500mAh에 가까운 전력을 제공한다는 의미입니다.

저는 작년에 몇 달 동안 "결함이 있는" Zebra TC52 스캐너 문제를 해결해 온 유통 센터에서 일했습니다. 사양 시트에는 런타임이 8-시간이라고 나와 있었는데, 3시간이 걸렸고 모두가 하드웨어에 문제가 있다고 생각했습니다. 스캐너는 괜찮다는 것이 밝혀졌습니다. 부하가 걸린 알카라인 배터리는 정격 용량을 제공하지 않습니다. 충전식 리튬 이온으로 전환한 후 동일한 스캐너가 7+시간 동안 작동하기 시작했습니다. 차이점은 전적으로 배터리에 있었습니다.

온도 성능

이는 위스콘신 회사의 허를 찔린 사양이며 아마도 산업용 배터리 선택 시 가장 과소평가된 요소일 것입니다.

실온에서 알칼리성과 리튬은 모두 정격 사양에 가까운 성능을 발휘합니다. 온도가 떨어지면 격차가 극적으로 벌어집니다. 알칼리 화학은 전기화학 반응이 느려지고 내부 저항이 더욱 증가하기 때문에 특히 추위에 민감합니다. 0도에서는 정격 용량의 50-70%를 보게 됩니다. 냉동 보관의 일반적인 설정값인 -18도까지 알칼리는 10~20%의 용량을 유지하므로 대부분의 응용 분야에서는 사실상 쓸모가 없습니다. -40도에서는 본질적으로 0입니다.

리튬은 -18도에서 70-80%의 용량을 유지하고 -40도에서도 여전히 50-60%를 제공합니다. Backpackinglight.com에 게시된 현장 테스트에서는 리튬이 150분간 지속되는 동일한 부하 조건에서 0°F에서 알칼리성이 약 25분간 지속되는 것으로 나타났습니다. 이는 부하 부족 용량 문제와 관계없이 온도만으로 실제 런타임에 6배의 차이가 있습니다.

실질적인 의미: 저온 유통 물류, 실외 인프라, 냉장 운송 또는 장비가 영하의 온도에 노출될 수 있는 북부 기후의 모든 시설을 운영하는 경우 알카라인 배터리는 비용 절감 옵션이 아닙니다-. 이는 단가 절감보다 고장, 긴급 교체, 장비 손상 등의 비용이 더 많이 발생하는 신뢰성 문제입니다.

반대 측면도 언급할 가치가 있습니다. 15~30도 사이의 안정적인 온도와 기후{0}}제어 환경에서 작동하는 경우 리튬의 내한성의 이점을 볼 수 없으며 이에 대한 비용을 지불할 이유가 없습니다.

총 소유 비용

단가 비교는 대부분의 배터리 조달이 잘못된 부분입니다. 계산은 분명해 보입니다.-알칼리성 AA의 가격은 0.50~1.00달러이고, 충전용 리튬 등가물의 가격은 5~10달러입니다. 배터리 구입에 왜 10배를 더 지불하겠습니까?

왜냐하면-단위당 비용은 배포 수명 주기 동안 실제로 지불하는 비용이 아니기 때문입니다.

6회 사용 시 손익분기점이 임계 수치입니다. 수명 동안 배터리를 6회 이상 순환하는 장치는 알카라인보다 충전식 리튬을 사용하는 것이 비용이 더 저렴합니다. 이후 격차는 빠르게 벌어진다. 일상적으로 사용하는 장비의 경우-리튬 비용은 10년 동안 알칼리 비용의 약 2%에 불과합니다.

하지만 솔직히 배터리 비용 자체가 주요 요인이 아닌 경우가 많습니다. 교환 인력이 배터리 구매 비용을 3~4배 초과하는 시설을 본 적이 있습니다. 일주일에 두 번 배터리를 교체하는 120개의 스캐너 작업은 배터리 교체에만 연간 1,200시간 이상을 소비합니다. 시간당 $25의 인건비로 $30,000+ 충전식 리튬 및 도크 충전을 사용하면 완전히 사라지는 작업에 대한 인건비입니다.

실제 전환의 ROI 데이터

우리가 참여했거나 문서를 가지고 있는 프로젝트의 일부 수치를 공유하겠습니다. 이는 소비자 애플리케이션이 아닌 산업 규모이지만 배터리에 매년 수백 달러 이상을 지출하는 모든 규모에 결정 역학이 적용됩니다.

텍사스-에 본사를 둔 한 3PL 회사는 50-지게차를 납{4}}납에서 리튬-이온으로 전환했습니다. AA 셀과 배터리 형식은 다르지만 화학 비교는 동일합니다. 초기 투자 비용은 상당했지만 8{11}}년 예상에서는 총 배터리 관련 비용을 납산 56% 절감하는 데 비해 290만 달러가 절약되는 것으로 나타났습니다. 회수기간은 31개월이었다. 480평방피트의 전용 배터리실을 없애고 일일 유지 관리 작업을 4.5시간에서 약 20분으로 줄였으며 장비 가동 중지 시간을 교대 시간의 12%에서 약 2%로 줄임으로써 절감 효과를 얻었습니다. 2024년에 발표된 UgoWork 사례 연구에서 나온 내용입니다.

소규모로 우리가 직접 협력한 유통 센터에는 매주 480개의 알카라인 AA를 실행하는 120개의 휴대용 스캐너가 있었습니다. 연간 배터리 비용은 18,720달러에 1,248시간의 교환 노동 시간이 추가되었습니다. 선불 $14,400 배터리와 충전 인프라를 갖춘 도크 충전 기능을 갖춘 Li{8}}이온으로 전환했습니다. 지속적인 전기 비용은 연간 약 $960입니다. 9개월 만에 회수가 이루어졌습니다. 그 후에는 배터리 교체로 인한 운영 중단 없이 연간 약 17,000달러를 절약하고 있습니다.

패턴은 일관됩니다. 높은 선행 투자, 대부분의 자본 장비보다 빠른 투자 회수, 손익분기점에 도달하면 상당한 지속적인 비용 절감이 이루어집니다.

누출 위험

이는 배터리 선택 논의에서 충분한 관심을 끌지 못합니다. 아마도 이러한 일이 발생할 때까지 정량화하기 어렵기 때문일 것입니다.

알카라인 배터리는 수산화칼륨을 전해질로 사용합니다. KOH는 부식성이 있습니다. 알카라인 셀이 누출되어-누출되면 제조업체보다 더 자주 -전해질이 금속 접점을 공격하여 회로로 퍼질 수 있다는 점을 인정하고 싶어합니다. 때로는 손상을 제거하고 장치를 저장할 수 있습니다. 장비가 파손되는 경우도 있습니다.

누출 위험은 사용 기간, 부분 방전 및 온도 순환에 따라 증가합니다. 배치 사이에 사용되지 않은 장비는 특히 취약합니다. 저는 개인적으로 18개월 동안 창고에 보관하는 동안 알카라인 배터리가 누출되어 비상 라디오 팔레트가 폐기되는 것을 본 적이 있습니다. 무전기는 결코 오지 않는 재난 대응 배치를 기다리고 있었고 누군가 예정된 유지 관리를 위해 케이스를 분해했을 때 부식이 너무 퍼져서 복구할 수 없었습니다.

이는 단일-브랜드 문제가 아닙니다. r/batteries 또는 전자 엔지니어링 포럼에 시간을 보내면 모든 주요 알카라인 브랜드에 대한 누출 불만 사항을 찾을 수 있습니다.{2}}Duracell, Energizer, 매장 브랜드는 중요하지 않습니다. 문제가 업계 전반에 걸쳐 품질 관리가 저하되는 것이든, 온라인 보고가 증가하여 기존 문제가 더욱 가시화되는 것이든 패턴은 존재합니다. 원한다면 직접 확인하세요. 스레드를 찾는 것은 어렵지 않습니다.

리튬 화학은 비수성 전해질을 사용합니다.- 1차 리튬(비-재충전 가능) 및 리튬-이온(재충전 가능) 모두 정상적인 조건에서 누출 위험이 거의 -0에 가깝습니다. 사용하지 않고 유휴 상태로 유지되는 모든 장비의 경우-비상 시스템, 백업 장치, 계절별 도구, 안전 장비-이 특성만으로도 알칼리에 비해 가격 프리미엄이 정당화될 수 있습니다.

자체-방전 및 보관 수명

이는 알칼리가 진정한 이점을 갖는 영역 중 하나이며 특정 응용 분야에 중요합니다.

알카라인 배터리는-연간 2-3%씩 자체 방전됩니다. 선반에 놓아두었다가 7{7}}10년 후에 다시 찾아보면 대부분의 용량을 여전히 사용할 수 있습니다. 1차 리튬은 보관 수명이 15~20년이고{10}}연간 자가 방전율이 약 1%- 더 좋습니다. 충전식 리튬 이온은 이 측정 기준에서 더 나쁩니다. 월 3~5%의 손실이 발생합니다. 이는 리튬 이온 재고를 그냥 보관하고 잊어버릴 수 없음을 의미합니다.

배치될 때까지 수년간 손대지 않은 비상 예비비에는-재난 키트, 백업 통신, 안전 장비-1차 리튬이 최선의 선택입니다. 15-20년의 보관 수명과 거의 -누출 위험이 거의 없는 알칼리 제품은 비슷한 자체 방전율에도 불구하고 알칼리 제품보다 우수합니다. 왜냐하면 알칼리 제품의 누출 경향으로 인해 장기 무인 보관에 부적합하기 때문입니다.

재충전 가능한 리튬{0}}이온 재고를 유지 관리하는 경우 저장 충전 상태는 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 더 중요합니다. 리튬{2}}이온을 완전히 충전한 상태로 보관하면 용량 저하가 가속화됩니다. 온도가 상승하면 100% 충전 상태로 보관된 리튬{4}}이온 셀은 매월 용량이 최대 35% 손실될 수 있습니다. 올바른 방법은 정기적인 점검 주기를 통해 40-60% SOC로 저장하는 것입니다. 완전 충전을 하면 배포 준비가 완료된다는 가정 하에 완전히 충전되어 보관된 배터리 재고에서 회사가 수천 달러를 손실하는 것을 본 적이 있습니다.

애플리케이션-특정 선택

일반적인 권장 사항 대신 사용 사례별로 선택 항목을 분류하는 방법은 다음과 같습니다.

계속해서 발생하는 조달 실수

TCO 모델링 없이 단가를 평가합니다.이것이 가장 일반적인 것입니다. 조달팀은 배터리당 0.05달러를 절약한 것을 축하하며 알칼리를 사용하기로 한 기본 결정은 배포 기간 동안 리튬보다 10배 더 많은 비용이 듭니다. 가격을 협상하기 전에 실제 TCO 모델을 구축하세요.-인력 교체, 폐기 및 장비 손상 위험이 포함됩니다.

공칭 방전 조건의 용량 사양을 사용합니다.장치 사양서에 8시간 런타임이라고 표시된 경우 이는 실제 작동 전류가 아니라 제조업체의 테스트 조건에서 배터리 용량을 기준으로 한 것입니다. 실제 작동 부하에서의 실제 런타임은 사양의 40% 이하일 수 있습니다. 런타임이 중요한 경우 제조업체가 사용한 최적의 테스트 조건이 아닌 실제 전류 소모량에서 방전 곡선을 요청하십시오.

사양에서 온도를 무시합니다.장비가 냉장 보관이나 실외 환경에 배치되고, 알칼리성 장애가 발생하면 모두가 장비나 유지 관리 일정을 비난합니다. 배터리 선택이 처음부터 잘못되었습니다. 작동 온도가 규칙적으로 5도 이하로 떨어지면 알칼리성은 잘못된 선택입니다.

중요 장비에 사용되는 비{0}}OEM 배터리.직원이 타사 교체 배터리를 설치한 후 30일 이내에 환자 모니터링 장비가 고장난 Nationwide Children's Hospital의 사례가 기록되어 있습니다.- 비-OEM 셀에는 적절한 보호 회로가 부족하여 장비가 손상되었습니다. 이제 병원 정책에 따라 모든 중환자 치료 기기에 대해 OEM{5}}전용 배터리가 의무화되었습니다. 이 내용은 AAMI Biomedical Instrumentation & Technology 저널에 게재되었습니다. 실패로 인해 안전 위험이 발생하거나 상당한 재정적 결과가 발생하는 모든 응용 분야의 경우 애프터마켓 배터리로 인한 절감 효과는 노출될 가치가 없습니다.

충전용 리튬을 완전 충전 상태로 보관합니다.사이클링보다 더 빠르게 성능 저하를 가속화합니다. 리튬{1}}이온 재고를 유지하고 있다면 SOC를 40~60%로 유지하고 점검 주기를 구현하세요.

적격 배터리 공급업체

공급업체를 평가하는 경우 다음을 요청해야 합니다.

• 다양한 부하 조건에서의 방전 곡선. 최적의 방전율로 용량 데이터만 제공할 수 있는 공급업체는 자신의 제품을 이해하지 못하거나 열악한 고배수 성능을 숨기고 있습니다.- 어느 쪽이든, 높은 전력 소모 애플리케이션용 배터리를 지정하고 싶은 사람은 없습니다.-
• 실제 작동 범위 전체의 온도 성능 데이터입니다. 냉장 보관되는 장비에 대한 실내 온도 사양은 허용되지 않습니다.-
• 새로운 셀에 대한 내부 저항 데이터 및 수명 종료--예상. 이는 배터리가 새것일 때뿐만 아니라 노화됨에 따라 부하 상태에서 배터리가 어떻게 작동하는지 알려줍니다.
• 운송에 대한 안전 인증-UN38.3, 리튬 안전에 대한 UL 및 IEC 62133. 이는 기본 요구 사항이어야 합니다.
• 보증 기간은 달력 시간이 아닌 주기 수명과 연관되어 있습니다. 달력- 기반 보증은 배터리에 대해서는 의미가 없습니다. 주기- 기반 용어는 실제 성능에 대한 신뢰도를 나타냅니다.
• 폐기 처리에 대한 모호한 진술이 아닌 실제 재활용 파트너십입니다. 리튬은 잔여 물질 가치를 고려하여 95% 재활용 가능하지만 이를 포착하기 위한 실제 프로그램이 있는 경우에만 중요합니다.

우리가 하는 일

Polinovel은 산업, 상업 및 특수 응용 분야를 위한 리튬 배터리 팩을 제조합니다. 당사의 엔지니어링 팀은 조달 및 운영 그룹과 협력하여 특정 사용 사례에 대한 TCO를 모델링하고, 데이터시트 가정이 아닌 실제 배포 조건에서 성능을 테스트하며, 실제 요구 사항에 맞는 사양 솔루션을 제공합니다.

리튬이 항상 정답이라고 말하지는 않겠습니다.-알칼리성이 더 적합한 응용 분야가 많이 있으며, 이것이 귀하의 상황에 맞는다면 알려드리겠습니다. 우리가 할 일은 실제 숫자를 실행하고 결정을 내릴 수 있는 데이터를 제공하는 것입니다.

배터리 전환을 평가 중이거나 현재 접근 방식이 비용 최적인지 확인하고 싶다면{0}}polinovelpowbat.com을 통해 연락하여 TCO 평가를 요청하세요. 우리는 일반적으로 일주일 이내에 예비 분석을 완료합니다.