전자회로/Battery
베터리의 종류
목사
2010. 4. 23. 00:35
충전 배터리(2차 전지)의 종류
| 종 류 | 음 극 | 양 극 | 전해질 | 작동전압 | 에너지 밀도/L |
설 명 |
| Lead-acid | Pb | PbO₂ | H2SO₄(수용액) | 1.9V | 70 |
대부분의 자동차의 기초 전원 으로 이용되고 있으며, 싼 값으 로 제조 가능하고 넓은 온도 조 건에서 고출력을 낼수 있다. 약 1860년 경부터 실용적인 형태 로 개발되었으며, 폭넓은 용도 를 나타낸다. 그 크기도 다양하 여 잠수함용으로부터 무선 전 화기용까지 다향하다. 비교적 균형 잡힌 성능을 보이나, 무겁 고 에너지 저장 밀도는 높지 않 다. |
Ni-Cd Cd NiOOH
KOH
(수용액)
1.2V 90
이미 100년전인 1899년 발명
되었으며, 철도 차량용, 비행기
엔전 시동용등을 비롯하여 고
출력이 요구되는 다양한 산업
및 군사 용도에 널리 이용되고
있다. 최근 개스 발생을 제어할
수 있게되어 밀폐식으로도 널
리 생산되며, 이는 전동공구 및
휴대형 가전 제품의 전원으로
이용되어 왔다. 그러나 최근 니
켈 수소 및 리튬 이온과 같은
고 성능 이차전지의 개발로 인
하여 이용이 일부 위축되고 있
다.
Ni-MH MH NiOOH
KOH
(수용액)
1.2V 200
에너지 저장 밀도의 향상과 증금속 카드뮴의 제거로 비교적 고가의 휴대형 전자 제품에 적용되고 있다. 그러나 현재 저중량의 리튬 이온 전지가 등장함에 따라 그 주 사용처인 랩탑 컴퓨터, 휴대형 전화 등에서 지장을 크게 잠식당하고 있다.
Li-ion
음극 : C , 양극 : LiMO₂, 전해질 : Li-Salt 유기용액
3.6V 300
1990년대에 새로 등장하였으며, 높은 에너지 저장 밀도와저 중량 특성에 힘입어 급속히기존 이차전지를 대치하고 있다. 그러나 아직은 고가의 휴대형 전자 제품으로 그 용도가 크게 제한되어 있으며 안전성 면에서는 특별한 보호회로에 의존해야 하는 등 불완전한 형태이다. 성능과 안전성 개선을 위한 노력이 폭넓게 전개되고 있으며, 현재 급속히 시장을 팽창시켜가고 있다.
작동 원리별 배터리 분류
1) 소형 Ni-Cd Battery (니켈 카드뮴 배터리)
대형 2차 전지가 2차 대전 당시 유럽에서 개발된 데 비해, 소형 2 차 전지는 1960 년대 유럽
에서 상용화 되었다. Ni(OH)2를 양극으로, Cd 을 음극으로 사용하는 전지이며, 알카리 수용
액을 전해질로 사용한다. 납축전지와 Ni-Cd 전지의 가장 큰 차별점은 전해질을 황산대신 알
카리 수용액을 사용한다는 점이다. 알카리 수용액은 황산과 같은 산성 수용액보다 전도성이
뛰어나다는 장점이 있다. Ni-Cd 전지의 전압은 1.2 V 인데, ( 비교- 건전지 : 1.5 V, 납축전
지 2.0 V) Ni-Cd 전지에서는 전지를 다 사용하기 전에 충전하면 memory effect 때문에 다음
충 방전 시에 용량이 줄어드는 현상이 발생한다.
Memory effect 의 단적인 예는 전기 면도기처럼 매일 일정시간 사용하고 곧 바로 충전하는
기기에서의 이상 동작 현상을 들 수 있다. 본인이 면도하고 난 후 충전 후에 , 다른 사람이 면
도하려고 하였는데 면도기가 작동하지 않는 것이다!
Memory 라고 말할 수 있는 이 현상은 이 전지 (예를 들어 Ni-Cd 전지) 를 강제 방전함으로
써 memory 를 지울 수 있다.
Memory effect는 Cd(카드뮴) 금속 고유의 특성이다. 카드뮴 금속은 수정과 같은 결정구조를
이루고 있는데 방전이 일어나면서, 반응이 일어난 부분은 결정구조가 흐트러져 비정형 구조
로 변한다. 비정형구조와 결정 구조사이의 경계는 충전과 방전을 거듭하면서 굵어지고, 이러
한 경계가 memory effect 의 원인이 된다.
2) NiMH Battery (니켈 수소 전지)
1970 년대에 "수소 저장 합금 (Hydrogen Storage Alloy)" 이 개발되었다. 수소저장 합금이란
압력과 온도의 변화에 따라 수소를 흡수했다가 방출했다가 하는 금속 합금이다. 이에 따라
1990년대 초에 Ni-Cd 전지에서 음극인 Cd을 수소 저장 합금으로 대체하여 memory effect
를 피하고, Cd 이라는 공해 물질도 쓰지 않게 되고, 또한 용량도 증대시켜 Ni-MH 전지가 상
용화 되었다. 전압도 Ni-Cd 와 동일한 1.2 V 로서 기존 전지와 호환이 가능하였다. 단점은,
가격이 비싸고 출력이 떨어진다는 것이다. 따라서, 아직까지 power tool 과 같은 고전류를
요구하는 응용기기에서는 Ni-MH 가 Ni-Cd 보다 불리하다.
3) Li-ion 전지
Li-ion 전지는 Ni-Cd, Ni-MH 전지와는 성격이 다르다. 일단 전압이 3.6 V로 기존 전지의 3
배나 된다. 전해질로는 수용액대신에 유기 용매를 사용한다. 그 이유는 전지 내부의 전해질
에서 산화 환원 반응이 일어날 때, 전해액이 수용액일 경우 1.35 V에서 분해가 일어나므로
대신에 4 V 이상의 전위차에서도 분해없이 안정한 유기 용매를 전해질로 사용한다. Li-ion
전지는 현재 양극으로는 LiCoO2 를 사용하고, 음극은 카본이나 graphite 를 사용한다
충전 시에는 LiCoO2 속에 있는 Li 이온이 빠져 나와서 음극의 결정 속으로 들어간다.
(Intercalation) 방전 시에는, 역반응이 일어난다. Graphite 격자구조 속에 있는 Li 이온이 빠
져 나와 전해질 속을 이동하여 양극의 결정구조 속으로 들어간다. 즉, 충 방전시에 Li 이온이
양극과 음극 사이를 왔다 갔다 하게 된다. 이런 이유로 초기에는 Li 이온이 그네를 타는 것처
럼 왔다 갔다 한다고 하여 " Swing 전지" 또는 흔들의자처럼 왔다 갔다 한다 하여 "rocking
chair concept 에 의한 전지" 등으로 불렸으나, 일본에서 Li-ion 전지로 명명하였다. Li-ion
전지에는 순수한 Li 금속은 포함되어 있지 않다. Li 금속은 매우 반응성이 높은 금속이며, 물
에 닿으면 폭발적인 반응을 일으켜 위험할 수 있다.
왜 Li-ion 전지인가? (장점 및 단점) Li-ion 전지의 장점은 용량이 커서 충전 후 오래 사용할
수 있고 다른 전지보다 가볍다는 점이다. 그러나, 다른 전지보다 위험하며, 안전성 문제로 인
하여 고 전류를 흘릴 수 있는 고 출력 (high power) 전지를 만들기가 힘든 것이 단점이다. 이
안전성 문제를 보완하고 전지의 성능을 유지하기 위해, 여타 다른 전지에서는 사용하지 않는
보호회로를 사용하기도 한다. 고용량이 필요한 device 가 개발 될수록 수요가 늘어나는 추세
이다
① 메모리 현상 (Memory Effect)
니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를
전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름으로 나타난다.
여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, 즉 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰
고 또 충전하고 하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비가역적인 반
응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용
하지 못하게 됩다.
이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모
리효과라고 한다. 따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 완충전(100%충전)하였다가 완전
히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것
이 가장 잘 사용하는 방법이다.
그러나 리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수
시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않는다. 오히려 조금쓰고 충전하고 조
금쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과가 있다는 연구 결
과가 나와있다.
② 2차 전지
1차 전지는 disposable 전지, 2차 전지는 reusable 전지라 부른다.
1차 전지는 전지 속의 에너지가 고갈되면 버리는 전지이다. 2차 전지는 mobile phone 과
Notebook PC 에서 계속 충전하면서 여러 번 재사용이 가능한 전지이다.
충전이란, 외부에서 전기에너지를 흘려주어서 고갈된 화학 에너지를 충진하는 것이다. 1차
전지도 어느 정도 충전이 가능하다. 그러나, 충전시 gas 가 발생하여 문제가 된다.
③ capacity (mAh)
전지의 용량이란, mAh 라는 단위에서 볼 수 있듯이, 1 mAh 의 용량은, 1mA 의 전류를 1 시
간 동안 흐르게 할 수 있는 전하량을 말하며, 따라서 전지의 용량이 1800mAh 라는 것은
1800mA 의 전류를 사용하더라도 1 시간을 쓸 수 있는 전하 저장능력이 있는 전지라는 의미
가 된다.
④ energy density (Wh/l)
250 Wh/l, 300 Wh/l 로 표시되는 용량밀도는 전지를 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하
는 판단기준이 된다. 전지에 보면, 1200mAh, 1500 mAh 등으로 표시되어있는 것을 볼 수 있
다. 이것은 전류의 근원이 되는 전하량이다. 또한 전지에는 1.2 V, 3.6 V 등으로 전압이 표시
되어 있다. 전력량은 Wh = Ah (전하량) x V (전압) 의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000mAh
에 3.6 V 라고 하면 3.6 Wh 가된다. 여기에 부피를 나누어 주면 Wh/l 단위의 energy density
를 구할 수 있다.
⑤ cycle life
2 차 전지는 충 방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 1000 mAh 이었던 용량이 몇
백번 충 방전을 하면서, 700, 600, 500 mAh 까지도 줄어든다.
일반적으로, cycle life 는 초기용량의 60 % 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충 방전
회수로 정의한다. 예를 들어 cycle life 가 500 회라고 하면, 500 쓰면 용량이 줄어들어 전지
를 교체해야 하는 것으로 알고 있는데 사실은 그렇지는 않다. 500 회란 것은 100 % D.O.D.
에서 500 회라는 것이다. D.O.D. 는 Depth Of Discharge 의 약자로서, 용량이 1000mAh 라
고 하면, 1000mAh 를 100 % 다 소진하고, 충전했을 때에 cycle life 를 의미한다.
그러나, 실제는 70-80 % 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80 % D.O.D 에서는 cycle
life 는 2-3 배 정도 증가된다.
Cycle life 는 교과서적인 정의에 바탕을 둔 성능 항목이므로 해석할 때 주의를 기울여야 한
다.
⑥ 작동 온도구간
전지 catalogue 를 보면, 방전은 -20 C - + 60 C, 충전은 0 - 40 C 등으로 적혀있다. 전지
는 근본적으로 온도가 올라갈 수록 용량은 증대되지만, cycle life 는 급격히 떨어진다. 인간
이 가장 살기 좋은 온도인 20 도를 기준으로 정한다. 20 도에서 용량을 100 % 라고 정의할
때 저온에서 몇 % 의 용량이 방전되는가를 표시하는 방법으로 전지의 온도에 대한 적응력을
평가한다. 저온 특성이 나쁘다고 하여 저온에서 전지가 작동되지 않는다는 의미는 아니다. -
20 도에서 상온의 50 % 용량을 방전한다고 하면, -20도에서 상온에서 1000 mAh 의 용량을
방전하던 전지가 -20 도에서는 500 mAh 만 방전한다는 의미이다. 이것 역시 실장 test 와
전지 test 간에는 많은 gap이 있다. 경험이 많은 휴대폰 업체에서는 -20 도에서 비상통화 한
통화만 하면 된다고 말하나, 국내업체에서는 -30 도에서 상온 용량의 60 % 를 요구하는 경
우도 있다.
⑦ 자가방전
전지는 내부에 화학물질을 다량 함유하고 있다. 그러므로, 그냥 방치하고 있어도 화학반응에
의하여 용량이 줄어든다. 이런 현상을 자가방전 (self-discharge) 이라고 한다.
자가방전에는 두 가지를 점검해야 한다. "retention capacity" 와 "recovered capacity" 가 평
가 항목이다. Retention capacity (Capacity retention) 이란 예를 들어 45 도에서 전지를 한
달 간 방치하였을 때 한달 후에 어느 정도의 용량이 없어지고 어느 정도의 용량이 남아있냐
를 표시하는 항목이다.
자가방전이 된 전지를 충전을 하여 방전시켜 보았을 때 용량이 100 % 방전되는 것은 아니
다. 자가 방전된 전지를 재충전하여 방전했을 때 용량의 몇 % 용량이 방전되는가를 나타내는
것이 recovered capacity 이다.
일부 전지에서는 자가방전으로 전압이 0V 가까이 되면 recovery가 안 되는 경우가 있다. 또
한 자가방전은 1 차 전지에서도 문제가 된다. 1 차 전지는 창고에 stock 되어있는 기간에 비
례하여 용량이 감소되므로 장기 보관 시 냉동창고에 보관해야 하며, cost 상 그렇지 못할 경
우에는 싼 가격에 처분해야 한다.
자가방전은 온도가 높을 수록 자가방전 속도가 급격히 증가하므로, 열대지방이나 여름에는
세심한 주의를 해야 하고, market section 상 열대지방을 target 으로 할 경우에는 formula
를 변경시켜서 자가방전을 최소화 시켜야 한다. 다시 말해서 동일한 전지라고 하여도 수요처
에 따라 formula 를 다르게 해줄 수 있는 능력을 보유하고 있어야 진정한 전지업체라고 할 수
있다.