전지(Battery)란 무엇인가

전지(Battery)란 무엇인가

 

전지(Battery)는 내부 활물질의 화학에너지(Chemical Energy)를 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 기기이다. "전지"라는 용어는 두개이상의 전기화학적 셀(Cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(Single Cell)에도 사용한다.

전지는 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져나갈 수 있도록 특별한 내부구조로 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기에너지의 원천이 되어 우리에게 필요한 전기를 제공한다. 이 연결이 만들어지기까지 활물질은 준비된 상태로 전기 에너지를 저장한다.

전지는 전해질과 전해질에 담겨져 있는 양극과 음극이라는 활물질 그리고 분리막으로 구성되며 그 명칭과 역할은 다음과 같다.

 

○ 양극 : 외부 도선으로 부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극

○ 음극 : 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극

○ 전해질 : 활물질의 환원반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질 이동이 일어나는 매개체

○ 분리막 : 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지키 위한 격리판

 

종류	음극	양극	전해질	전압	에너지밀도		특 징
Lead-acid	Pb	PbO2	H2SO4 (수용액)	1.9[V]	50～100 [Wh/ℓ]	30～40 [Wh/㎏]	자동차용, UPS 전원으로 사용 저렴하고 넓은 온도조건에서 고출력이 가능
Ni-Cd	Cd	NiOOH	KoH (수용액)	1.2[V]	100～200 [Wh/ℓ]	45～65 [Wh/㎏]	철도,비행기 등 산업,군사용,가정용에 사용. 리튬전지 등 고성능전지에 의해 퇴조
Ni-MH	MH	NiOOH	KoH (수용액)	1.2[V]	200～350 [Wh/ℓ]	500 [Wh/㎏]	에너지 저장밀도 향상으로 경량화 실현으로 PC 휴대폰 등에 사용되었음. 퇴조진행
Li-Ion	C	LiMo2	Li-Salt (유기수용액)	3.6[V]	200～350 [Wh/ℓ]	90～150 [Wh/g]	90년대 중반에 등장 고에너지 밀도, 저중량 실현. 보호회로가 필요. 2차전지 주력제품
Li-Polymer	리튬 금속	LiMo2	고체고분자 전해질	3.7[V]			리튬이온 전지의 차세대 전지로 각광을 받고 있음

주요 2차전지의 특징

(1) 연축전지

대표적인 2차 전지의 하나로서 1860년 Plante가 최초로 선을 보인이래 백 수 십년 동안이나 기술 개량을 거듭하면서 현재의 저렴하고 신뢰성이 높은 전지가 되었다. 주로 자동차용 배터리로 사용되고 있으나 전기자동차 시대에 출현할 신형전지의 등장이 기대되고 있다. 기본적인 원리와 전지소재는 크게 변한 것이 없으나 자동차의 고성능화와 함께 고출력화 및 신뢰성 향상 등에 있어서 최근 20년간 급속한 기술진보를 보였다.

전극의 박판화 및 바이폴라화 등 새로운 기술 개발로 에너지 밀도를 높이는데 주력하고 있다. 대체로 일반용 2차 전지 시장에는 경제성으로 인해 납축전지가 아직도 지배적이다. 통신수단의 발달은 소형전지 뿐만 아니라 이들의 네트워크 백업용 전원의 수요도 크게 증가시켰고, 대형 컴퓨터의 무정전 전원장치(UPS), 공장 내에서의 운송기계 등의 전원으로도 수요가 크게 늘고 있다.

(2) 니켈카드뮴 축전지

니카드전지라고도 하며, 1890년대에 전기자동차용으로 Jungner에 의해 개발되었으나 가격이 높고 신뢰성이 없어서 1950년까지 별로 관심을 끌지 못했다. 그러나 니켈의 소결식 극판이 개발되면서 고율의 방전, 과충방전, 장수명 등 2차 전지로서의 특성이 뛰어나 1980년대에 급성장을 보인 휴대용 소형기기의 전원으로써 그 수요가 비약적으로 증가하였다. 납축전지에 비해 고성능, 장수명이며 전동공구, 완구용의 전원으로 널리 보급되었다. 아직도 소형 2차 전지의 중심이 되고 있으나 1990년부터 본격적으로 시장에 나온 니켈수소 전지에 밀려 점차 자리를 내주고 있다.

 

(3) 니켈수소 전지

고에너지 밀도의 소형전지로서 니켈카드뮴 전지의 환경문제를 대체하여 1990년대에 급성장한 2차 전지이다. 1995년경부터 니켈카드뮴 전지 대신 휴대전화에 채용되기 시작하여 단위 용량당 코스트가 대폭적으로 인하되고 있으며, 600~700[WaH] 시장을 점유해 가고 있다. 니켈수소 전지는 전지 전압이 니켈카드뮴 전지와 같은 1.2[V]이면서도 에너지 밀도는 최고 2배 가까이 크므로 기존의 니켈카드뮴 전지 시장을 쉽게 공략하고 있으며, 또한 최근 전기자동차용 전원으로 주목받고 있다.

 

(4) 리튬이온 전지

컴퓨터나 휴대전화 등의 고에너지 밀도의 소형전지로 급성장한 새로운 2차 전지이다. 일본의 SONY가 1990년 초 2차 전지 시장에 내놓은 리튬이온 전지는 공칭 전압이 3.6[V]이고 에너지 밀도가 니켈카드뮴 전지에 비해 체적 당 2배, 중량당 3배 정도로 높아 휴대폰과 노트북 PC의 대중화에 한 몫을 하고 있다.

고전압 및 고에너지 밀도와 뛰어난 가역성을 특성으로 하고 있는 리튬이온 전지는 메모리 효과가 없고, 원재료의 무공해성 등으로 휴대기기의 소형 경량화에 가장 적합한 전지로 각광받고 있다. 시장 도입 후 니켈카드뮴, 니켈수소 전지를 급속히 대체해 나가고 있으나 한편으로는 원재료나 생산 장비가 고가이고 액체전해질 이용에 따른 셀 디자인의 한계성, 안전성 확보를 위한 기술개발의 지속적인 요구 등의 해결과제가 있다.

 

(5) 리튬폴리머 전지

리튬폴리머 전지는 전극재료가 전도성 폴리머인 전지시스템에 붙여진 이름이나 최근에는 전해질만 폴리머로 대체한 전지시스템도 같은 이름을 붙이고 있다. 따라서 리튬이온 전지 시스템에서 전해질만 전도성 폴리머로 바꾼 전지는 리튬이온 폴리머 전지(Lithium Ion Polymer Battery : LIPB)로 부르고 있다.

리튬이온 폴리머 전지는 이온 전도도가 우수한 고분자 전해질을 사용하여 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성을 최소화하는 장점이 있다. 성능은 에너지 밀도가 150[Wh/kg] 에 이르며, 수명도 1,000회 이상으로 수치상으로는 기존의 리튬이온 전지보다 성능 면에서도 우수한 것으로 발표되고 있다.

또한 고체 전해질을 사용하기 때문에 다양한 형태의 전지설계가 가능하고 제조 공정이 단순화될 것으로 기대되어 생산 가격이 낮아질 수 있다. 일본이 석권하고 있는 리튬이온 전지에 대응하기 위해 미국 등에서 전력을 다하고 있는 분야로서 특히 전기자동차나 연료전지 등의 분야에 이용할 계획으로 연구개발이 진행되고 있다.

 

축전지의 성능 비교

구 분	연 축전지		알칼리 축전지
형식명	CS형	HS형	포켓식	소결식
양 극	과산화 연	과산화 연	수산화 니켈	수산화 니켈
	(PbO2)	(PbO2)	(2NiOOH)	(2NiOOH)
음 극	연(Pb)		카드뮴(Cd)
전해액	황산(2H2SO4)		수산화칼륨(KOH)
전해액비중	1.215 (20℃)	1.29 (20℃)	1.20 - 1.24 (20℃)
기전력	약 2.05 - 2.08[V]		1.32[V]
공칭전압	2.0[V]		1.2[V]
용 량	10시간 방전율		5시간 방전율
자기방전	보통		적다
충전시간	길다		짧다

○ HS-200 : 고율 방전용 고정 연축전지

- H : 고율방전 (High Rate Discharge)

- S : 고정형 (Stationary)

기호 다음의 숫자 : 10시간율 정격용량

○ 페이스트식(Paste), 크래드식(Clad) : 연축전지 양극판의 종류에 따라 분류

○ 포켓식(P), 소결식(S) : 알칼리 밧테리 극판의 구조에 따라 분류

○ ES : 밀폐형 무누액 축전지 전해액 합침형 축전지

 

정격전압	100[V]
방전종지전압(허용최저전압)	95[V]		90[V]		85[V]
종 류	연	알칼리	연	알칼리	연	알칼리
셀 수	54	86	54	86	54	86
허용최저전압/셀	1.8	1.10	1.7	1.06	1.6	1.0

방전종지 전압

정격전압	셀 수	셀 공칭전압	정격 전압	적용셀
연 축전지	54	2.0[V]	2.0×54=108[V]	55
알칼리 축전지	86	1.2[V]	1.2×86=103[V]	87

축전지 셀수의 결정

(6) 무보수 밀폐형 칼슘연축전지(ESG축전지)

(가) 특징

1) 물보충이나 잔손질이 필요없다.

ESG축전지는 무보수형 축전지이다. 충전시 전지내부에서 발생한 가스가 극판에 흡수되어 전해액이 환원되므로 전해액의 감소가 없어 일반 연 축전지와 달리 정제수 보충이나 잔손질이 필요 없는 무보수형이다.

2) 액이 새지 않는다.

전해액이 특수한 격리판(Separator)에 함침되어 있으므로 액의 유동이 없어 거꾸로 놓거나 옆으로 높거나 어떠한 방향으로 놓아도 액이 새지 않는다.

3) 가스밸브가 있어 안전하다.

과충전시나 충전조작의 잘못으로 인해 가스가 발생될 때를 대비하여 안전밸브가 장치되어 있어 안전하다.

4) 자기방전이 거의 없다.

특수한 납, 칼슘 합금의 기판 및 고도로 정제된 전해액 등 정선된 자재만 사용하였으므로 자기방전량이 극소하여 장기보관이 가능하다.

5) 수명이 길고 경제적이다.

가) 특수한 납, 칼슘 기관의 사용으로 내식성이 향상되어 긴 수명을 보장된다.

나) 정상적인 부동충전으로 운용시 가스 흡수가 확실하므로 일상적인 축전지 취급에서 전해액 고갈에 의한 용량감소가 거의 없다.

다) ESG 축전지에 사용한 특수 격리판은 전해액을 함침하고 양극 활물질의 탈락을 억제하므로 심방전(Deep Discharge) 의 경우에도 싸이클 수명이 충분하고 아주 경제적이다.

6) 심방전 후의 회복성이 아주 우수하다.

연 축전지를 부하에 접속한 채 장기간 방전상태로 두는 것은 좋지 않으나 부득이 장기간 방치한 경우에도 회복충전을 하면 회복이 아주 잘 된다.

일상보수 및 취급

(가) 방 전

1) 방전종지전압

방 전 전 류(A)	평균 방전종지전압(V/Cell)
0.1C 미만 또는 간헐적인 방전	1.90
0.1C 또는 이 부근 전류	1.80
0.2C 또는 이 부근 전류	1.75
0.3C 또는 이 부근 전류	1.70
0.7C 이상전류	1.60

2) 방전후 방치하지 말고 곧바로 충전하여야 한다. 실수로 과방전 하였을 때에는 즉시 충전하여야 한다.

3) 방전시 주위온도 범위는 -15[℃]～45[℃]이다.