전지(배터리, battery)의 종류

전지(배터리, battery)의 종류

현대는 전기전자의 시대이기 때문에 수 많은 전기에 대한 수요가 있다. 특히 휴대용 전자기기와 같은 랩톱 컴퓨터, 노트북, 탭북, 휴대용 게임기기와 같은 수 많은 전기는 전원으로서 배터리를 필요로 한다. 배터리는 당연히 한번 쓰고 버리는 1회용과 충전해서 사용이 가능한 2차 전지가 있다.

전지의 종류

전지의 종류

 봍타의 전퇴(voltaic pile)에서 발전한 것이 건전지인데, 요즘 가장 이용이 쉬운 건전지이다. 몇 십 전만 하더라도 건전지는 손 전등 등에서 사용하여 활용 가치가 거의 없었지만, 최근에는 거의 모든 다양한 휴대용 전자기기 및 가정용 기기에 배터리를 사용하고 있다. 일반적으로 전지 1개에서 나오는 에너지는 1.5볼트짜리 건전지는 외부저항 5Ω에서 500분간 사용할 수 있는 능력을 가지고 있다. 평균 1.3V의 전압으로 방전했다고 계산하면 역학적으로 에너지로 환산하여 1kg의 물체를 1000m 높이로 들어 올리는 에너지이다.

 건전지는 1878년 프랑스의 르크랑셰란 사람이 발명한 르크랑셰 전지를 휴대용으로 편리하게 간소화한 것으로 ‘망간전지’라고도 한다.

건전지의 구조

 건전지의 구조는 중앙의 탄소봉을 (+)극(양극)에 바깥쪽의 아연통을 (-)극(음극)으로 하고 있다. 탄소봉의 둘레를 염화암모늄의 포화수용액에 이산화망간의 분말과 흑연의 분말을 반죽한 것으로 싼 다음, 이것을 다시 염화암모늄의 포화용액을 전분질로 풀처럼 만들어 굳힌 것으로 싸서 아연통속에 넣은 것이다.

건전지의 전기 발생 원리

 염화암모늄은 용액 속에서 전리해서 암모늄 이온과 염소 이온이 된다. 음극인 아연 Zn 은 아연 이온이 되어 용액 속에 녹고 아연통에 전자를 남긴다. 이런 이유로 아연통은 마이너스 극이 된다. 액 속의 암모늄 이온은 아영 이온에 의해 쫓겨나 탄소봉에 모이게 되고, 탄소봉에서 전자를 얻어 암모니아와 수소로 분해된다. 따라서 탄소봉은 전자가 부족해지므로 플러스극이 된다. 탄소봉 주위에서 발생한 수소는 그대로 두면 탄소전극에 밀착되어 버리므로 전지의 능률이 떨어진다. 그 때문에 이산화망간의 산화작용을 이용하여 수소를 물로 변화시켜 버린다. 이런 작용이 일어나도록 사용하는 이산화망간과 같은 물질을 소극제라고 한다. 탄소봉과 아연통과의 사이에 전위차가 있으므로, 두 극 사이를 연결하면 전류가 흐른다.

 요즈음의 전지 가운데 가장 오래된 전지는 양극활물질로 이산화망간(MnO2)을 사용하고 음극 재료로 아연(Zn)을 쓰고 전해약으로 NH4Cl과 ZnCl2를 혼합하나 중성염수용액을 사용한 망간전지이다.

 이 전지는 18689년에 개발되어 1880년에 상용화 되어 이후 외장재질 및 봉구 방법이나 양, 음극 활물질의 개선을 통해 현재까지 사용되고 있는데 소비전력이 적은 용도에서 가격대비 사용시간 특성이 우수해 현재도 1차 전지 생산량의 60% 가량을 차치하고 있을 정도로 광범위하게 사용되고 있다.

전지의 역사

년 도	특 징
1789	개구리 다리로부터 전지 현상 발견(Galbani : Italy)
1799	구리-아연 전지 발명(Cu/H2SO4/Zn Volta : Italy)
1860	연축전지 발명(PbO2/H2SO4/Pb, Plante : France)
1867	망간 건전지의 원형 발명(MnO2/NH4ClZnCl2/Zn, Lechlanche France)
1880	Faure’, paste식 극판에 의한 연축전지 제조법 특허, 연축 전지 산업생산 개시
1888	망간 건전지 발명(Gassener: Germany, 헤레센서 : Denmark)
1899	니켈-카드뮴 전지 발명(NiOOH/KOH/Cd, Jungner(Sweden)
1899	니켈-아연 전지 발명(NiOOH/KOH/Zn)
1900	니켈-철 전지 발명(NiOOH/KOH/Fe, Edison : USA)
1909	알카리 망간전지 발명(MnO2/KOH/Zn)
1917	공기 아연 축전지 발명(O2 in Air/KOH/Zn)
1942	수은전지 발명(HgO/KOH/Zn)
1947	밀폐형 니켈-카드뮴 전지 발명
1949	알카리 망간전지 실용화
1962	밀폐형 수소전지 발명
1970	리튬 1차 전지 실용화
1970	미국 GM Delko 칼슘 MF 연축 전지 개발
1973	이산화망간-리튬 1차 전지 실용화(MnO2/LiC1O4/Li)
1981	리튬 이온 2차 전지 발명
1990	리튬 이온 2차 전지 실용화, 생산개시(일본 SONY사)
1990	밀폐형 니켈-수소전지 실용화(NiOOH/KOH/MH)
1990	전기자동차용 전지 본격 개발착수
1995	수은 전지 생산 중지
2002	LIPB, ALB, Smart Battery, Li-Polymer, 초박형 리튬이온전지(파워셀) 개발

 

원리별 전지의 구분

1. 물리 전지

1.1 태양 전지

-반도체의 p-n 접합을 이용하여 광전효과에 의해 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치

1.2 열전소자

-반도체의 p-n 접합을 이용하여 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치

1.3 원자력 전자

-방사성 동위원소의 에너지를 전기에너지로 변환

2. 화학 전지

2.1 1차 전지

- 화학 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지로서 화학변화 과정이 비가역적이거나 가역적이라도 충전이 용이하지 않음

2.2 2차 전지

- 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지

2.3 연료 전지

- 연료(천연 GAS, 메탄올, 석탄)의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 화학발전 장치로서, 외부에서 반응물이 연속 공급되어 발전이 가능한 전지

 

전지별 특성

구분	종류	특 징
1차 전지	망간 전지	1868년 프랑스 르클량셰에 의해 발명된 역사가 오래된 전지로서, 고부하, 고용화용에 적합한 전지
		정극재료: 아산화 망간 부극재료 : 아연 전해액 : 물 전해질 : 염화암모늄, 염화 아연 격리판 : 크라프트지
	알카리망간 전지	전지용량이 크고 내부저항이 적어 부하가 큰 장시간 사용에 적합 한 전지이며, 원통형과 코인형을 분류
		정극재료 : 이산화망간 부근재료 : 아연 전해액 : 수산화칼륨, 수용액 전해질 : 수산화칼륨, 수산화나트륨 격리판 : 부직포(폴리오레핀, 폴리아미드계)
	수은전지	1942년 미국의 루벤에 의해 발명되었고, 미국의 PR 말로리사에 의해 생산된 아연을 음극으로 하는 일차전지 가운데서 대단히 높은 에너지 밀도와 전압 안정성으로 60~70년대 소형전자기기의 주전원으로 사용되었으나, 수은의 유해성으로 80년대 이후 사용을 억제하고 있다.
		정극 재료 : 산화수은 음극재료  : 아연 전해액    : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액 격리판    : 비닐론이나 알파화 펄프계
	산화은전지	1883년 프랑스의 클라크와 독일의 돈, 하스랏샤에 의해 발표되고, 1940년대 군사용 1960년 민간용으로 개발된 전지이다. 평탄한 방전 전압과 소형화와 뛰어난 부하특성으로 손목시계의 전원으로 사용되고 있다.
		정극재료 : 산화은(Ag2O) 부극재료 : 아연 전해액    : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액 격리판    : 비닐론이나 알파화 펄프계
	리튬1차 전지	리튬 1차 전지는 60년대 들어 미국의 NASA에서 우주개발용 전원으로 연구 개발된 고에너지 밀도의 전지로서, 오늘날 본격적으로 실용화 되고 있는 플루오르화 흑연 리튬전지와 이산화망간 리튬전지이다.
		정극 재료 : 플루오르화 흑연, 이산화망간에 탄소 결착 부극 재료 : 리튬 전해액    : γ-부칠락톤, 1,2 디메특시 에탄의 혼합 유기용매에 보론플루오 로와 리튬의 전해질을 용해시킨 액체 격리판 : 플리프로필렌, 올레핀계 부직포
	공기아연축 전지	19세기말부터 20세기 초에 걸쳐 거치형 공기전지가 개발되어 항로 표지용 전원이나 각종 통신기기에 사용되었으며, 단축형으로는 의료기(보청기)용도로 사용하고 있으며, 고에너지 밀도와 큰 전기용량, 평탄한 방전 특성을 갖고 있다.
		정극재료 : 공기 중의 산소 부극재료 : 아연 전해액   : 수산화칼륨 수용액 격리판   : 폴리오레핀, 폴리아미드계 부직포
2차 전지	납축전지	1859년에 발명된 전지로서, 대부분의 자동차 기초전원으로 이용되고 있으며, 싼값으로 제조 가능하고 넓은 온도 조건에서 고출력을 낼 수 있다. 납축전지는 안정된 성능을 발휘하나 비교적 무겁고 에너지 저장밀도가 높지 않다.
		정극재료 : PbO2 부극재료 : Pb 전해질 : H2SO4(수용액)
	니켈카드뮴 전지	1899년에 발명에 1960년대에 밀폐형 니켈카드뮴 전지 양산기술이 확립되어, 철도차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 산업 및 군사용으로 널리 이용되고 있으며, 밀폐형의 경우에는 전동공구 및 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되었으나, 메모리 효과와 유해한 카드뮴 사용으로 널리 사용되지는 않고 있다.
		정극 재료 : NiooH 부극 재료 : Cd 전해질    : KOH(수용액)
	니켈수소 전지	‘90년에 실용화하여 ‘92년에 대량 생산이 개시된 2차 전지이며, 니켈 카드뮴 전지와 동작전압이 같고 구조적으로도 비슷하지만 부극에 수소흡장합금을 채용하고 있어, 에너지 밀도가 높다. 현재 전기자동차용으로 무겁고 출력이 낮아 현재는 거의 사용되지 않고 있다.
		정극재료  : NiooH 부극재료  : MH 전해질    : KOH(수용액)
	리튬이온 전지	‘91년 소니 에너지테크가 개발한 2차 전지로서, 리튬 금속을 전극에 도입한 관계로 안전성면에서는 불완전하여 보호회로를 채용해야 한다. 리튬이온 전지는 높은 에너지 저장밀도와 소형, 박형화가 가능하며, 소형 휴대용 기기의 전원으로 채용이 본격화되고 있다.

주요 1차/2차 전지의 특성

구 분	종 류	구성			공칭 전압	에너지밀도
		양극	전해질	음극
1차 전지	망간 전지	MnO2	ZnCl2NH4Cl	Zn	1.5	200
	알카리 전지	MnO2	KOH(ZnO)	Zn	1.5	320
	산화은전지	Ag2O	KOH NaOH	Zn	1.55	450
	공기아연 축전지	O2	KOH	Zn	1.4	1,235
	플루오르흑연리튬전지	(CF)n	LiBF4/YBL	Li	3	400
	아산화망간리튬전지	MnO2	LiCF3SO3/PC+DME	Li	3	75
2차 전지	납축전지	PbO2	H2SO4	Pb	2	100
	니켈 카드뮴 전지	NiOOH	KOH	Cd	1.2	200
	니켈수소전지	NiOOH	KOH	MH(H)	1.2	240
	바나튬리튬전지	V2O5	LiBF4/PC+DME	Li-Al	3	140
	리튬이온 전지	LiCoo2	LiPF6/EC+DEC	C	4	280

다양한 종류를 배터리를 알고 싶으면 아래 링크를 참조하세요

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)

 

연료 전지의 개요

 

납 축전지 용어 정리(lead–acid battery)

 

니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

 

이차 전지의 개념 및 종류

 

자동차용 리튬 폴리머 전지(Lithium polymer battery)

 

니켈 수소 전지(Ni-MH)

 

전기자동차용 리튬이온(lithium ion) 배터리(Battery)

 

리튬인산철(LiFePO4) 전지