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니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 12. 00:25 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

니켈 카드뮴 전지의 역사

 대형의 Ni-Cd 전지는 2차 대전 중에 유럽에서 개발되었고, 소형의 Ni-Cd 전지는 또한 유럽에서 1960년대 유럽에서 상용화 되었다. Ni(OH)2를 양극으로, Cd을 음극으로 사용하는 전지이며, 알카리 수용액을 전해질로 사용한다. 납축전지와 Ni-Cd 전지의 가장 큰 차별점은 전해질을 황산 대신 알카리 수용액을 사용한다. 알카리 수용액은 황산화 같은 산성 수용액보다 전도성이 뛰어나다는 장점이 있다.

 대형 Ni-Cd 전지는 철도, 차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 다양한 산업 및 군사 용도로 사용되고 있다. 방전 시에 일어나는 가스 발생을 제어하는 기술이 개발되어 밀페식으로 만들어 진 것이 바로 소형 Ni-Cd 전지이다.

 디지털 기기에서의 배터리는 니카드 전지(니켈 카드뮴)에서 니켈수소전지, 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지로 이동하고 있다. 이런 상황에서 니켈카드뮴 전지는 유해 중금속 물질인 카드뮴 사용으로 인체건강 및 환경에 좋지 않아 점차 사용이 줄어 들고 있다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 노트북, 휴대전화의 전원도 니켈카드뮴 전지에서 출발하여 리튬이온전지가 대세가 되었다.

원리와 구조

니켈 카드뮴 전지의 반응식은 다음과 같다. 양극은 니켈 산화물, 음극은 카드뮴화합물을 활성 물지로서 전해액은 주로 수산화 칼륨 수용액을 사용하고 있다.

             2Ni(OH)2+Cd(OH)2 2NiOOH+Cd+2H2O

 원통형 니켈카드뮴 전지의 내부는 얇은 시트 모양의 양음극판을 나일론이나 폴리프로필렌을 소재로 한 부직포로 된 격리판을 통하여 말은 상태로, 강철제의 견고한 외장 캔에 수납되어 있다.

, 과충전시에 양극에서 발생한 산소 가스는 음극에서 흡수되어 전지 내부에서 소비하는 메커니즘으로 되어 있다. 규정 이상의 내부 가스압 상승에 대비하여 복귀식 가스 배출 밸브를 설치하고 있다.

충전 특성

니켈 카드뮴 전지의 충전특성은 전지의 종류, 온도, 충전전류에 따라 달라진다. 충전이 진행됨과 동시에 전지 전압은 상승하여 어는 정도 충전량에 도달하면 피크 전압을 나타낸 후에 강하된다.

 이 전압 강하는 충전말기에 발생하는 산소 가스가 음극이 흡수될 때의 산화열로 전지온도가 상승하기 때문에 발생한다. 충전기를 설계할 때 이 음극에 흡수되는 속도 이상으로 산소 가스를 발생 시키지 않아야 한다는 것이 중요하다.

 충전에 3가지 종류가 있다.

- 트리클 충전 : 0.033 C[A] 정의 소전류로 연속 충전

- 노멀 충전   : 0.1~ C~ 0.2 C [A]에서 150% 정도의 충전

- 급속 충전  : 1 C ~1.5 C [A]에서 약 1시간의 충전이 가능, 만충전 제어가 필요

방전 특성

니켈 카드뮴 전지의 방전 동작 전압은 방전전류에 의해 다소 변화되지만, 방전기간의 약 90% 1.2 V 전후를 나타낸다. 또한 건전지나 연축전지에 비해 방전 중인 전압변화가 적어 안정된 방전 저압을 나타낸다. 방전 종지 전압은 기기의 설계상 1셀당 0.8V ~1.0V가 적당하다. 또한 내부저항이 작기 때문에 외부 단락 시 대전류가 흐르기 때문에 보호부품 등의 설치도 필요하다.

 

메모리 효과란

 방전 종지 전압이 높게 설정되어 있는 기기나 매회 얕은 방전 레벨에서 사이클을 반복했을 경우, 그 후의 완전방전에서 방전 도중에 0.04 ~ 0.08 V의 전압강하가 일어나는 경우도 있다.

 이것은 용량 자체가 상실 된 것이 아니기 때문에 깊은 방전(1셀당 1.0 V 정도의 완전방전)을 함으로써 방전전압은 원래 상태로 복귀한다. 이 현상을 [메모리 효과]라고 한다. 양극에 니켈을 사용하는 니켈카드뮴 전지나, 니켈수소 전지에서 주로 발생한다.

 최근에는 기기축의 방전 종지전압 설정을 1.1 V/셀 이하로 하는 등 저전압 구동 IC의 사용과 적당한 세트 전지수의 선정으로 문제가 되지 않는다.

 Ni-Cd가 가진 큰 단점은 메모리 효과(memory effect)가 존재 한다는 것이다. 이 현상은 전지를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전을 하게 되면 일어나는 현상이다. Cd의 결정 구조 때문에 일어나는 현상으로 메모리 효과가 생기면 결과적으로 전지의 충전 가능 용량이 줄어든다. 이 현상이 심해지면 최기 용량의 70%만을 사용할 수 있게 된다. Ni-Cd 전지를 강제 방전함으로써 메모리 효과가 일어난 Cd의 결정 구조를 제거가 가능하다. 에너지 밀도는 1 리터당 90이다.

 이 전지의 에너지 밀도는 최근의 고성능 전기자동차용 납축전지보다 오히려 약간 떨어지나, 대전류 방전 특성이 우수하고, 저온에서도 그 특성이 크게 저하하지 않는 특징이 있다.

 Ni-Cd 전지의 전압은 1.2V인데 , Ni-Cd에서는 1.2V인데, Ni-Cd 전지에서는 전지를 다 사용하기 전에 충전하면 메모리 효과(memory effect) 때문에 다음 충방전시에 용량이 줄어드는 현상이 발생한다.

 메모리 효과의 단적인 예는 전기면도기처럼 매일 일정시간 사용하고 곧 바로 충전하는 기기에서 이상 동작 현상이 발생한다. 메모리 효과인 이 현상은 이 전지를 강제 방전함으로써 메모리를 지울 수 있다. 메모리 효과는 Cd(카드뮴) 금속 고유의 특성이다. 카드뮴 금속은 수정과 같은 결정 구조를 이루고 있는데 방전이 일어나면서, 반응이 일어난 부분은 결정 구조가 흐트러져 비정형 구조로 변한다. 비정형구조와 결정 구조 사이의 경계는 충전과 방전을 거듭하면서 굵어지고, 이런 경계가 메모리 효과의 원인이 된다.

수명 특성

 니켈 카드뮴 전지의 수명은 보통 조건에서는 500회 이상 반복해서 사용할 수 있지만 수명에 영향을 주는 요인은 충전전류, 온도, 방전 심도/빈도, 과충전기간 등이 있다. 수명의 현상은 전지부품의 열화나 활물질의 기능저하에 의한 용량저하를 들 수 있다. 다른 계통의 전지에 비해 보다 안전하게 오래 사용하기 위해서는 특히 온도와 충전 전류를 고려해야 한다.

니켈카드뮴 전지의 특징

1) 사용실적을 뒷받침하는 높은 신뢰성 : 40년 이상의 상용화로 신뢰성이 높다.

2) 수명이 길어 경제성이 우수 하다. : 1회의 방전 용량은 기존의 건전지와 같지만, 일반적으로 500회 이상의 충방전이 가능하여 경제적이다. 최근에는 충전의 제어기술이 발달하여 1000~2000회 이상 사용할 수도 있다.

3) 전지 자체가 견고하여 다소 무리한 조건에서도 오래 사용되므로 기기를 복잡한 회로로 사용 할 필요가 없다. 또 다른 2차 전지에 비해 과충전/과방전에 강한 설계로 되어 있다. 또한 전지 내부에 흡수되지 않았던 가스를 방출하는 복귀식 가스 배출 밸브가 있어 안전성이 뛰어나다. 전동 공구에서의 30A까지 미치는 방전특성 및 10분 이내의 충전 등 다른 2차 전지에 비해 뛰어난 성능을 지니고 있다.

4) 폭넓은 기종과 건전지와의 호환성 : 다양한 용도에 대응할 수 있도록 여러 종류(타입, 사이즈)의 전지와 기기 스페이스에 맞춘 세트 전기가 있다. 또 건전지와 호환성이 있는 카드뮴전지와 충전기도 충실한 라인업을 갖추고 있다.

5) 우수한 신뢰성과 넓은 사용 온도/습도/범위 : 온도에 의한 성능의 변화가 적고 밀폐 구조이기 때문에 습도에 의한 영향도 거의 없다. 방전은 보통 -20~+60를 허용한다. 특히 저온에서 1C[A]를 초과하는 고부하 방전이 가능한 2차 전지가 상용화 되지 않아 니켈카드뮴 전지의 확대에 어려움이 있었다. 비상 조명기기나 자동 화재 경보기 등의 방재기기의 백업 전원으로 전부터 활용되고 있어, 신뢰성이 매우 높다.

6) 보수가 용이하고 견고 : 밀폐구조이기 때문에 보충액이 필요 없이 충방전 상태를 불문하고 보관할 수 있으므로 보수가 용이하다. 또 기기내에 장착이 가능하며 취급이 간단하다. 구조는 견고하고 재질도 금속 용기를 사용하고 있기 때문에 충격이나 진동에 대해 충분한 내구성이 있다.

니켈카드뮴 전지의 종류

 밀폐형 니켈 카드뮴 전지의 형태는 원통형, 버튼형, 편평각형(gum)이 있다. 원통 밀폐형 니켈카드뮴 전지는 일본공업규격 JIS C8705-98 24종류의 호칭 방법이 규정되고 있다. , 이것들 외형치수에 의한 분류만이 아니라 많은 용도에 따라 특성을 가지는 전용 전기가 개발되어 있기 때문에 그것들의 특성을 충분히 이해하여 가장 적당한 전지를 선택하는 것이 중요하다.

 니켈 카드뮴 전지는 납축전지에 비해 출력 밀도가 크고, 수명이 길며, 단시간 충전이 쉬운 장점이 있다. 그러나 에너지 밀도와 납축전지와 거의 같은 정밀도로 그 한계성을 많이 갖고 있으면서 가격이 납축전지에 비해 몇 배 높고, 재료의 대량 수급에도 문제가 있다.

니켈 카드뮴 전지 향후 전망

니켈 수소나 리튬 이온이라는 새로운 2차 전지의 등장으로 고용량의 측면에서는 니켈카드뮴 전지의 성능은 저하되지만 전지에서 요구되는 성능은 고용량만이 아니다. 새로운 계통의 전지는 대전류 방전, 온도 특성, 긴 수명 등에서 니켈 카드뮴 전지 정도의 특성을 얻을 수 없다. 현재 전지의 용도가 다양화되고 요구되는 특성도 다종다양하여 니켈카드뮴 전지가 아니면 사용할 수 없는 용도도 있다. 앞으로 니켈카드뮴 전지가 그 특징을 활용 할 수 있는 시장을 소개한다.

1) 동력용도(요구특성: 고출력, 장 수명, 고신뢰성)

어시스트 자동차, 전동차 의자, 스쿠터, 카트, 소형 전동 리프트 등

2) 스탠드바이 용도(요구 특성 : 연속충전, 고신뢰성)

WILL(Wireless Local Loop: 전화 회선용 백업), UPS, 시큐리티, POS 기기 등, SOHO 수요가 기대되는 가운데, 긴 수명, 고신뢰성이 보다 더 요구될 뿐 아니라 소형/경량화/긴수명/대전 방전특성/온도특성이라는 요구사항이 많아지고 있어 니켈카드뮴 전지의 사용 보편화 되고 있다.

3) 태양전지와 변용 기기(요구특성: 과혹한 환경온도에 견딜 수 있는 온도 특성)

셔터, 방범등, 표시등, 태양전지와 조합은 한 여름 고온이나 한 겨울의 영하의 온도에 대해 니켈카드뮴 전지는 온도 내구성에 적합성이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

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