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납축 전지

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 21. 14:03 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

납축 전지

 자동차 내연기관에 사용되고 있는 전지는 납산 전지와 알카리 전지의 두 종류가 있으나, 대부분 납산 전지를 사용하고 있다. 알카리 전지는 납 전지에 비해 과다 충방전에 견디고 수명이 길다. 그러나 원료의 공급 등에 제한을 받고 값이 비싸다는 단점이 있다.

 납축전지는 전극으로 납을 사용하기 때문에 전지의 중량이 무겁고, 에너지 밀도는 2차 세계 대전 중에 약 20 Wh/kg 전후였으나, 종전 후에는 재료 혁명의 영향으로 성능, 수명이 크게 발전하여 지금도 자동차 및 기타 산업의 시동용 전지로 많이 사용되고 또한 성능향상이 이루어 지고 있다. 현재 전기자동차용 납축전지의 에너지 밀도는 약 40 Wh/kg(5 HR)이고, 대전류 방전에 있어서도 비교적 양호한 특성을 보여주고 있다. 영국에서의 우유 배달차 전원으로 사용되는 납축전지의 에너지 밀도는 25 Wh/kg 전후로 상당히 낮은 편이다. 그러나 영국은 일정 반경에서만 사용하는 제한적 주행거리에는 에너지 밀도도 충분하고, 전지의 수명은 약 4년간 보증하여 사용하고 있다.

 현재 사용되고 있는 전지 중인 납축전지는 가장 저렴하여 전기자동차의 전원으로 사용될 경우 엔진차에 비교적 저렴한 가격으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한 폐전지로부터 납의 회수가 용이한 장점이 있다.

 그러나 에너지 밀도가 낮은 40 Wh/kg 전후의 전지를 탑재할 경우 전기자동차의 1충전 주행거리는 연속주행에서 약 100 km 전후이고, 도시 내에서 GO/STOP의 반복으로 인해 이의 약 1/2 또는 그 이하의 주행거리로 감소한다. 물론 이 정도의 주행 거리로 용도에 따라 실용성이 있으나, 광범위한 목적으로 활용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이지 않으면 안된다.

 납축전지의 또한 단점으로는 방전 후의 충전에 통상 6~8시간의 상당히 긴 시간이 요구되는 것이다. 효과적인 충전을 하기 위해서는 저렴하고 신뢰도가 높은 충전기의 제어기구가 개발되어야 하며, 이를 개발하기 위해서는 보다 많은 연구 개발이 필요하다. 향후 전지의 액보충 횟수를 줄이거나, 전지의 밀폐화로 액보충을 없애는 방안, 충방전량을 알려주는 지시계의 개발, 전지에 관한 유지 관리의 간소화를 위한 성능 향상 연구가 추진되어야 할 것이다.

납축전지

1) 납 전지

양극판 : 과산화납(PbO2, 다갈색)

음극판 : 해면상납(Pb, 순납)

전해액 : 비중 1.2~1.3 정도의 묽은 황산(2H2SO4)

셀당 기전력 : 2.1[V]

2) 알카리 전지

양극판 : 수산화 제2니켈(ZLI(CH)3) à수산화니켈(ZLI(CH)2)

음극판 : 카드뮴(Cd)à수산화 카드뮴(Cd(OH)2)

전해액 : 수산화알카리 용액(KOH)

 양극에 수산화 제2니켈, 음극에 카드뮴, 전해액으로는 알카리 용액을 사용한 것이 널리 사용되고 있다. 기전력은 약 1.2V이다. 알카리 전지의 특징은 진동에 견디며 자기방전이 적고 평균수명이 길고 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있다.

[1] 전지의 구조와 작용

 현재 납산 전지의 구조는 아래와 같으며, 여러 개의 단전지(Cell)로 이루어진 케이스가 있고, 각 단전지마다 양극판과 음극판, 격리판 및 전해액이 들어 있다. 또한 양극판은 음극판보다 적용이 활발하여 쉽게 파손되므로 화학적인 평형을 고려해서 음극판을 한 장 더 많이 둔다.

 

납전지의 4대 구성 요소

1) 양극(cathode) : 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극

2) 음극(anode) : 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극

3) 전해질(electrolyte) : 양극의 환원 반응, 음극이 산화반응이 화학적 구조를 조화를 이루도록

                      물질이동이 일어나는 매체

4) 분리막(separator) : 양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉 방지를 위한 격리막

 1) 극판(plate)

 아래와 그림과 같이 납과 안티몬 합금의 격자 속에 납 산화물의 분말을 묽은 황산으로 반죽(paste)하여 붙인 상태로 만든 것을 충전하여 건조시킨 후 전기 화학처리를 하면 양극판은 다갈색의 과산화납(PbO2)으로, 음극판은 해면상납의 작용물질로 변한다.

 극판의 두께는 2[mm] 또는 3[mm] 정도의 얇은 극판도 만들어지고 있다.

2) 격리판(separator)

격리판의 기능은 음양극판 사이에 끼워져 단락을 방지한다. 그 종류에는 강화섬유 격리판, 비공석 고무 격리판, 합성수지 격리판이 있다. 또한 이 격리판(separator)은 부도체이며, 전해액이 자유로이 확산할 수 있도록 다공성이어야 하면, 또 내산성과 내진성이 우수해야 한다. 또한 격리판의 설치는 화학작용을 원활하게 하기 위하여 주름진 쪽이 양극판(+극판 : positive plate)쪽을 가게 한다. 홈이 있는 면이 양극판 쪽으로 끼워져 있고, 단독 또는 글래스 매트(glass mat)와 함께 사용한다. 글래스 매트는 양극판의 양면에 끼워져 어떤 일정 압력으로 눌러 진동에 약한 작용물질이 떨어지는 것을 방지한다(글래스 매트: 유리 섬유판)

납축전지 격리판

 3) 유리 매트(glass mat)

 양극판의 작용물질은 진동에 약하여 떨어져 나가기 쉬우므로, 이것을 방지하여 전지의 수명을 길게 할 목적으로 유리 섬유의 매트로 양 극판의 양쪽에서 작용 물질을 누르듯이 끼워 놓는다.

 4) 극판군(plate group)

 극판군은 여러 장의 극판을 그림과 같이 조립하여 연결편(strap)과 극주(terminal post)를 용접해서 만든다. 이렇게 해서 만든 극판군을 단전지라 하고, 완전 충전 시 약 2.1[V]의 전압이 발생한다. 따라서 6[V] 전지는 단전지 3개로 되어 있고, 12[V] 전지는 6개의 단전지가 직렬로 접속되어 있다.

 단전지 속의 양 극판의 매수는 3~5 정도이고, 많은 것은 14매 정도다. 극판의 매수는 많을수록 극판의 대량면적이 많아지므로 전지의 용량은 커진다. 단전지는 몇 장의 극판을 접속편에 용접하여 단지 기둥에 연결한 것이다. 또는 셀(cell)이라고 한다. (+), (-)극판은 1장씩 서로 엇갈리게 조립되고 비교적 결합력이 강한 음극판이 바깥쪽에서 양극판을 보호하기 위하여 양극판 보다 1장 더 많게 조립된다.

셀당 양극판의 수 : 3~5(최고 14)

② 완전 충전시 셀당 기전력 : 2.1 [V]

③ 단전지 6개를 직렬로 연결 : 12 [V]

5) 케이스(case)

전지의 몸체을 이루는 부분이며 내부에 칸막이를 두어 단전지(cell)를 구분하고 있다. 또한 극판 작용물질의 탈락으로 인한 침전물의 쌓임을 방지하여 단락(short)이 일어나지 않게 하는 엘리먼트 레이스가 케이스 및 부분에 설치되어 있다.

 케이스는 각 셀(cell)에 극판군을 넣은 다음 합성수지(plastic) 또는 에보나이트, 경고무 등으로 성형하고 있으며 케이스의 밑부분 엘리먼트 레스트(element rest)는 극판작용 물질의 탈락이나, 침전 불순물의 축적에 의한 단락을 방지한다.

커버의 중앙부에는 전해액이나 증류수를 주입하기 위한 주입구인 필러 플러그(filler-plug)가 있다. 플러그(plug)의 가운데 부분이나 옆부분에 작은 통기 구멍이 있으며, 이 구멍은 전지 내부에서 발생하는 수소가스나 산소가스를 방출하는 역할을 한다.

6) 필러 플러그(filler plug)

 필러 플러그는 합성수지로 만들며, 벤트 플러그(vent plug)라고도 한다. 필러 플러그는 각 단전지(cell)의 상부에 설치되어 전해액이나 증류수를 보충하고 전해액의 비중을 측정할 비중계의 스포이스나 온도계를 넣을 때 사용한다. 또한 전지 내부에서 발생하는 가스를 외부에 방출하는 통기공이 뚫려 있다.

 

 7) 커넥터와 터미널(connector and terminal post)

커넥터는 납 합금으로 되어 있으며, 전지 내의 각각의 단전지(cell)를 직렬로 접속하기 위한 것이다. 또한 기동시의 대전류가 흘러도 발열하지 않도록 굵게 되어 있다. 터미널은 납 합금이므로 외부 연결계와 완전자한 접촉을 이룰 수 있으며, 크기가 규격화 되고 양극이 음극보다 조금 크게 되어 있다.

① 커넥터 : 각 셀을 직렬로 접속하기 위한 것이며 납 합금으로 되어 있다.

② 단자기둥 : 납 합금으로 되어 있으며 외부 회로와 확실하게 접속되도록 테이퍼로 되어 있다.

 

 8) 전해액

전해액은 무색, 무취의 순도 높은 묽은 황산이며, 전지 내부의 화학작용을 돕고 각 극판 사이에서 전류를 통하게 하는 일을 한다.

비중이란 물체의 중량과 그 물체와 같은 부피의 물(4[])과의 중량비를 말하며 진한 황산의 비중은 1.835이다. 전지에 어느 정도의 전기가 축적되어 있는가를 아는 방법으로서, 보통 전해액의 비중을 측정한다.

전해액 비중은 전지가 완전 충전 상태일 때 20[]에서 1.240, 1.260, 1.280의 세 종류를 쓰며, 열대 지방에서는 1.240, 온대 지방에서는 1.260, 한랭지방에서는 1.280을 쓴다. 국내에서는 일반적으로 1.260(20[])을 표준으로 하고 있다. 전해액은 순도 높은 무색, 무취의 황산에 증류수를 혼합한 묽은 황산을 사용한다. 전해액은 그 전력을 높이고 방전시에 내부 저항의 증가를 적게 하고 있다.

 

전지의 충방전

방전 : 묽은 황산속에 수소는 양극판속의 산소와 화합하여 물을 만들기 때문에 비중이 낮아진다.

충전 : 양음극판에서 수소와 산소 발생

납축전지 화학반응

1. 비중에 의한 충방전 상태

충전상태

20[]일 때의 비중

밧데리 전압

완전충전(100%)

1.26 – 1.28

12.6 이상

3/4충전(75%)

1.21 – 1.23

12.0

1/2충전(50%)

1.16 – 1.18

11.7

1/4충전(25%)

1.11 – 1.13

11.1

완전방전(0%)

1.06 – 1.08

10.5

 

[전지의 화학작용]

 1) 충방전 작용

전지의 +, - 양 단자 사이에 부하(load)를 접속하여 전지에서 전류가 흘러나가는 것을 방전(discharge)이라 하고, 반대로 충전기나 발전기 등의 직류 전원을 접속하여 전지로 전류가 흘러 들어가는 것을 충전(Charge)라고 한다.

 방전이나 충전을 하면 전지 내부에서는 양극판, 음극판 및 전해액 사이에 화학 반응이 일어난다. 즉 전지의 충방전작용은 극판의 작용물질인 과산화납(PbO2)과 해면상납(Pb) 및 전해액인 묽은 황산(H2SO4)에 의해 화학반응을 하게 된다.

방전

양극판인 과산화납은 방전하면 과산화납 속의 산소가 전해액(황산)의 수소와 결합하여 물이 생기고, 과산화납 속의 납은 전해액의 황산기(SO4)와 결합하여 황산납이 된다. 또한 음극판인 해면상납은 양극판과 같이 황산납이 된다.

 이와 같이 방전시키면 양극과 음극의 극판은 황산납이 된다. 전해액은 액속의 황산분이 감소하고 생선된 물에 의해 묽게 된다. 따라서 방전이 진행됨에 따라 전해액의 비중이 낮아져 극판이 황산납으로 변하고, 극판 사이의 도체인 전해액이 물로 되기 때문에 전지의 내부 저항이 증가하여 전류는 점점 흐르지 않게 된다.

전체 반응식  :     PbO₂ + Pb + 2H2SO₄ ⇔ 2PbSO₄ + 2H₂O

  - 양극 반응식 : PbO₂ + 3H- + HSO₄ - + 2e ⇔ PbSO₄ + 2H₂O

   -음극 반응식 : Pb + HSO₄ - ⇔ PbSO₄ + H + + 2e

납축전지 방전율

전지 방전

- 양극판 : 과산화납(PbO2) à 황산납(PbSO4)

- 음극판 : 해면상납(Pb) à 황산납(PbSO4)

- 전해액 : 묽은 황산(H2SO4) à (H2O)

 

충 전

 외부의 전원에서 전지에 충전전류를 흘러 들어가게 되며, 방전으로 인해 황산납으로 변한 음극판과 양극판의 작용물질은 납과 황산기로 분해 되고, 전해액 속의 물은 산소와 수소로 분해 된다. 분해 된 황산기와 수소가 결합하여 황산이 되어 전해액으로 환원한다. 이 때 전해액의 황산농도는 증가하여 비중이 높아진다. 이 상태로 되면 양극판은 과산화납이 되고, 음극판은 해면상납(Pb)으로 된다.

 자동차의 배터리 등 평소 흔히 쓰이는 전지의 대표적인 것에 연() 전기가 있다. 전지는 전기를 저축하고 있는 것이 아니라, 전기 에너지를 만들어내는 화학 에너지를 저장하고 있는 것이다. 물은 황산 속에 이산화연판을 (+)극으로, 순수한 납(Pb)판을 (-)극으로 넣는다. 그런 다음 연축전지의 두 극을 도선으로 연결하며 다음과 같은 화학 반응이 일어난다. 즉 묽은 황산 용액 속에는 황산이 전리되어 수소 이온 2와 황산이온으로 된다.

[3] 전지의 특성

1) 전지의 용량

 전지의 용량은 극판의 장소, 면적, 두께, 전해액 등의 양이 많을수록 커지며, “ 완전 충전된 전지를 일정한 방전 전류로 계속 방전하여 단자전압이 완전방전 종지전압이 될 때까지, 전지에서 방출하는 총 전기량을 전지의 용량이라 하며 다음과 같다.

 여기서 방전시간이란 완전 충전 상태에서 방전 종지전압까지의 연속 방전하는 시간을 말한다. 이것을 암페어시() 용량이라 하며, Ah(ampere hour)의 단위를 쓴다.

전지의 욜량[Ah] = 방전전류[A] x 방전시간[h]

2) 자기방전[Self discharge]

 전지는 사용하지 않고 그대로 방치해 두어도 조금씩 방전을 일으키는데, 이러한 현상을 자기방전이라 한다. 자기방전은 그때의 환경에 따라 다르다. 예를 들며, 전해액의 비중이 높을수록, 주위의 온도와 습도가 높을수록, 사용기간 길수록 방전량이 많다.

 자기방전의 주요 원인은 전해액 속의 불순물에 의해 음극과의 사이에 국부 전지가 생기고, 또 격자(grid)와 양극판의 작용물질 사이에 국부전지가 생겨 방전하는 경우가 있다. 그리고 전지의 와부 표면에서 생기는 누전 전류도 자기방전의 원인이 된다. 자기방전량은 전지 실용량에 대한 백분율로 나타내며 보통 0.3~1.5[%] 정도이다.

 자기 방전에서 특히 주의해야 할 점은 장기간 사용하지 않은 경우의 자기방전으로 인한 과도한 방전이다. 이 과도한 방전으로 인한 설페이션(sulfation)을 일으키면 완전 회복이 어려워지며 다시 사용하지 못하는 경우도 발생한다.

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