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이차 전지의 개념 및 종류

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 6. 00:42 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

이차 전지의 개념 및 종류

이차 전지(secondary cell, storage battery, rechargeable battery), 이전 명칭 축전지(accumulator)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-금속 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다. 이차 전지는 표준 AA, AAA, C, sub_C, D, 9볼트 등의 규격을 따라 생산되는 것이 시중에서 판매되고 있으며, 이러한 종류의 전지를 구매하는 소비자들 또한 이에 친숙해 있다. 여러 번 충전할 수 있다는 것이 장점이지만 일차 전지에 비해 더 비싸고 이러한 전지에 쓰이는 화학부나 금속의 독성이 더 강한 편이다. 반면 일차 전지는 환경에 영향을 주는 독성 물질을 땅에 축적시키지 않는다. 니켈 수소 축전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 주장하고 있다.

이용

이차 전지는 충전후에 자가방전(Self Discharge)에 의해서 에너지를 잃는 속도가 일차 전지에 비해서 매우 높기 때문에 사용하기 전에 충전해야 한다.

일회용 전지에 충전을 시도하면 전지 폭발의 가능성이 있으니 주의해야 한다.

어떠한 종류의 이차 전지(: 리튬이온전지)는 완전히 충전되었을 경우 역충전이라는 위험에 노출된다.

또다른 종류의 이차 전지(: 니켈-카드뮴 전지)는 용량을 유지하기 위해 주기적으로 충분히 방전해 주어야 한다.

이차 전지는 현재 높은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 여기에 더 응용하여 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 이러한 전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.

니켈-카드뮴 전지는 기억 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지 축전 용량이 줄어든다.

전기 오토바이(바이크)에는 보편적으로 납축전지가 이용되고 있으며,, 중국은 리튬인산철 배터리를 많이 사용한다. 2020년 이후에는 전기 오토바이에도 성능 및 환경 문제로 리튬이온 배터리가 보편화 될 것으로 예상된다. 전기 자동차의 대부분은 리듐이온 배터리를 채용하고 있으며, 안전 및 제조 형상의 자유도가 높아 리튬폴러머 배터리도 많이 채용되고 있는 추세이다. 휴대폰에는 대부분 리튬이온 배터리를 사용하고 있으며, 일반적 1.2V의 전압에는 대부분 Ni-MH(니켈 수소)전지가 보편 되었다.

2차 전지별 주요 특징 정리

1) 리튬폴리머 전지

-전압은 3.6V로 폭발 위험이 없고, 전해질이 젤형태이기 때문에 전지 모양을 다양하게 만들 수 있는 것이 장점이다.

-현재는 일부 휴대폰에 사용되고 있으며 리튬이온 전지를 이을 차세대 전지이다. 현재는 거의 모든 배터리 기업이 연구 개발 및 생산 중이다.

-리튬폴리머전지는 양극, 전해질, 음극으로 구성되어 있고, 양극과 음극 사이의 전해질이 음극과 양극을 분리하는 분리막과 리튬이온의 전달역할을 수행한다.

-고분자 겔 형태의 전해질을 사용하여 과충과 과방전으로 인한 화학적 반응에 강하게 만들 수 있어 리튬이온 전지에 필수적인 보호회로가 불필요하다.

2) 리튬이온 전지

-전압은 3.6V로 휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라, 노트북, MD 등에 사용된다.

-양산 전지 중 성능이 가장 우수하고 가볍다.

-현대 일본, 한국, 중국 메이커의 기술이 선두에 있으면 최초에는 소니가 기술을 개발 및 양산하였다.

-리튬이온 전지는 폭발 위험이 있기 때문에 일반 소비자들은 구입할 수 없으며 보호회로가 장착 된 팩 형태로 판매한다.

3) 리튬이온 전지

-위험성만 제거되면 가볍고, 높은 전압을 갖고 있어 앞으로 가장 많이 사용될 전지이다.

-리튬이온전지는 양극, 분리막, 음극, 전해액으로 구성되어 있고 리튬 이온의 전달이 전해액을 통해 전달된다.

-전해액이 누수되어 리튬 전이금속이 공기 중에 노출될 경우 전지가 폭발 할 수 있고 과충전 시에도 화학반응으로 인해 전지 케이스내의 압력이 상승하여 폭발 할 가능성이 있어 이를 차단하는 보호회로가 장착된다.

4) 니켈 수소 전지

-Ni-Cd Li-ion 중간단계의 전지로 특정 사이즈만 생산

-워크맨, 디지털 카메라, 노트북, 캠코더 등에 사용되며 리튬이온(Li-ion) 전지가 안정화 되며, Ni-MH 전지는 특수제품을 제외한 곳에는 보편적 보급이 어려울 것으로 예상

-전압은 1.2V이며 니카드 전지와 혼용하여 사용하기도 하며, 니카드 전지보다 2배의 용량을 가진다.

5) 니카드(Ni-Cd) 전지

-전압은 1.2V이며 무선전화기, 무선 자동차, 소형 휴대기기에 가장 많이 사용된다.

-순간 방전량이 우수하여 레이싱카에 많이 사용된다. 초기에는 휴대폰, 무전기, 노트북, 캠코더에 많이 사용되었으나 용량이 적어 거의 사용되지 않고 있으며, 현재는 동남아 등지에서 저가의 제품이 많이 생산된다.

니켈 카드뮴 전지의 장점

-망간건전지와 같은 크기로 공칭 전압이 거의 일정하다.

-망간건전지와 비교 내부 저항이 낮으며 단시간에 큰 에너지를 꺼낼 수 있다.(큰 전류를 낼 수 있다)

-충전 가능한 전지 중에서는 수명이 긴편이며 방향을 생각하지 않고 사용할 수 있다

-충전하지 않고 사용할 수 없고 단시간에 충전 가능하다.

니켈 카드뮴 전지의 단점

-외부의 충격, 열에 약하며, 내부에 사용되고 있는 금속은 독성이 높고, 약품은 극약이다.

-방전 전압이 2단계로 내리는 것이 있다.

6) 납축전지(Lead –Acid)

-납축전지는 전압이 2V로 자동차용 전지로 가장 많이 사용된다.

-자동차용 전지는 12V 2V 전지를 직렬로 6개가 내부에 연결시켰다.

-구형 워크맨 전지나 소니 무선 전화기에도 사용되었으나 현재는 환경 및 성능 문제로 휴대용 기기에는 거의 사용되지 않는다.

-과방전 시 전지 수명이 급속히 단축되는 특성이 있으며 특히 자동차의 경우 재충전이 안 될 경우는 전지의 수명이 종료 되어 신품 배터리를 구매해야 한다.

* 참조 : 인터넷 위키백과

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