알카리 축전지 (Alkaline Battery)

 

알카리 축전지 (Alkaline Battery)

 

니켈카드뮴 알카리 축전지(니카드 축전지)라 하며, 양극 활성 물질은 수산화 제2니켈(NIOOH), 음극활성물질은 금속카드뮴(Cd), 전해액은 수산화칼륨(KHO)을 이용, 양극간 1.2V의 기전력이 발생되는 축전지를 “알카리 축전지”라 한다.

 

가. 충, 방전의 화학 방정식

(+) 극판              (-)극판  방전   (+)극판       (-)극판 2NiOOH  +   2H₂O   +   Cd   →   2Ni(OH)₂ +  Cd(OH)₂                                ← 수산화제2니켈  물 금속카드뮴  충전  수산화제1니켈  수산화카드뮴

 

즉, 방전시 양극 활성물질은 환원되어 수산화제1니켈[Ni(OH)₂]로, 음극 활성물질은 산화되어 수산화카드뮴 [Cd(OH)₂]이 된다.전해액 수산화칼륨(KOH)은 방전에 의해 수산(OH)이 양극에서 음극으로 충전하고 음극에서 양극으로 이행하는 작용을 돕는 매개의 역할을 할 뿐 직접 활동물질과는 반응하지 않으므로 충, 방전 중의 전해액의 비중은 변화가 없다.

 

또한, 물(H₂O)이 방전시 분해되었다가 충전시 다시 합성되므로 전해액의 변화는 무시할 수 있다.

(전해액은 도전제로 작용, 충 방전으로 약간 물이 출입하지만 그 양은 적고 전해액 비중은 거의 변하지 않음)

알카리 축전지의 극판(알카리 蓄電池의 極板)

 

알카리 축전지의 형식은 양극판과 음극판 속의 작용물질에 따른 포켓식과 소결식(燒結式)이 주로 사용된다.

 

가. 포켓식 극판

니켈도금을 한 마대강판에 작은 구멍을 뚫고, 작은 상자(포켓)속에 수산화 니켈을 주성분으로 하는 작용물질을 충전한다. 이 포켓의 작용물질로서 수산화 니켈을 충진(充指)하면 음극판이 된다.

포켓식의 양극판 및 음극판은 천공한 강판의 포켓속에 활물질을 충전하여 틀속에 배열한 구조이다.

 

나. 소결식 극판

얇은 강판의 표면에 니켈 분말을 고온으로 소결하면 무수한 작은 구멍의 기판이 된다. 이 작은 구멍속에 작용물질을 함침(含浸)시킨 것이 소결식 극판이다.  양극판 작용물질은 수산화 니켈을 쓰고, 음극판 작용물질은 수산화 카드뮴을 함침시킨다.   소결식 극판은 구멍이 매우 많아서 표면적이 크므로 일반적으로 대전류이고 우수한 전압특성이 요구되는 초급방전용 알카리 전지에 사용된다.

세퍼레이터 (Separator)

 

세퍼레이터는 음, 양극판의 단락(短絡)을 방지하기 위해 사용되는 격리판으로 포켓식 알카리 축전지의 세퍼레이터는 내 알카리성의 많은 작은 구멍이 뚫린 염화비닐제(合成樹脂製)의 판이 사용된다.

소결식 알카리 축전지의 경우에는 포켓식과 같은 재질의 판이나 나일론과 같이 내 알카리성의 좋은 천이 사용되고 있다.

알카리 축전지의 전해액(알카리 蓄電池의 電解液)

 

전해액은 순도 높은 가성카리(KOH) 용액에 소량의 첨가제를 가한 것을 사용하며, 보통 비중 1.24(20℃)인 전해액을 사용한다.

알카리 축전지의 충전특성(알카리 蓄電池의 充電特性)

 

포켓식 알카리 축전지의 충전특성을 살펴보면, 5시간율(HR) 방전전류로 7시간(공칭용량의 140%)동안 일정전류를 충전할 경우, 충전전압은 충전개시 직후에는 약 1.35[V]를 나타내고, 충전이 계속되는 상태에서 1.5[V]까지 서서히 상승하게 되고, 충전종기(充電終期) 때가 되면 1.7[V]까지 급상승하게 되어 그 이후에는 거의 전압의 변화를 나타내지 않는다.

충전단계에서 전류의 일부가 물의 전해반응이 생겨 양극으로부터 산소(O₂), 음극으로부터 수소(H₂)가 발생된다.

 

충전전압은 저온이 되면 전반적으로 높게되고, 충전종기때나 볼 수 있는 전압상승 현상이 되면 충전전압이 낮아지게 되고 따라서 충전이 어렵게 된다.

특히, 충전중의 온도가 +45[℃]이상이 되면 충전이 되지 않는데, 이는 양극판이 충전되지 않기 때문이다.

알카리 축전지의 방전특성(알카리 蓄電池의 放電特性)

 

포켓식 알카리 축전지의 경우, 공칭용량을 결정하는 방전조건은 5시간율 전류(0.2C)로 종지전압까지 방전하게 된다.

충전후 수십일 동안 자연방치하면 방전하게되고, 그림의 EB와 같이 낮은 전압으로 나타난다.

이것은 충전종기에 양극작용 물질이 일부 산화니켈(NiO₂)만큼 산화되어 그 영향으로 나타나는 것이다. 이는 산화니켈이 불안정하여 수십일간에 안정한 NiOOH로 변화하여 전압이 저하되기 때문이다.

종지전압을 지나 방전이 계속되면 전압은 전극(電極)되어 충전때와는 반대로 양극으로부터 수소(H₂), 음극으로부터는 산소(O₂)가 발생한다.

 

방전전류가 크게되면 방전전압은 낮아지고, 따라서 전기량(용량)도 저하된다.  또한 방전중 온도가 낮아지게 되며 방전전압 및 용량이 저하되고, 반대로 온도가 높아지면 성능이 향상된다. 35～40[℃]부근이 한도로써 45[℃]이상이 되면 용량은 즉시 저하하게 된다.

비중(比重)

 

어떤 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준 물질의 질량과의 비(표준 물질로 보통 증류수 사용)를 “비중”이라 한다.

활성(活性)

 

빛, 기타 에너지의 작용에 따라 물질의 반응속도가 활발하고 빨라지는 일을 “활성”이라 한다.

활성 화합물(活性 化合物)

 

다른 물질과 쉽게 화학작용을 일으켜 에너지를 높이거나 새로운 화합물을 조성하기 쉬운 물질을 “활성 화합물”이라 한다.