배터리 (2)

2차전지

1800년 이탈리아의 Alessandro Volta가 아연과 구리 디스크를 사용해서 볼타 전지를 발명했습니다. 그리고 1996년 리튬-인산철 배터리 발명 이후 소비자용으로 판매되는 새로운 방식의 배터리는 없는 상태입니다.
배터리 업계는 지난 20년 동안 2차 전지의 배터리 용량을 연간 8~10% 정도만 증가시켰습니다. 
최근 연이은 ESS 배터리 화재로 사회적으로 문제가 되고 있습니다.
배터리 용량을 늘리는 것과 동시에 더 높은 안정성을 위해 제조방법을 개선하는 데 집중해야 합니다.

 

* 전지의 4대 요소

- Anode(음극)
방전 시 산화반응, 전자의 공급원이 되는 전극, 연료전극, 금속(자유전자가 풍부), 전지의 특성 결정(보수적 경향), 음극의 교체는 새로운 전지시스템 의미.     
  Ex) 아연(Zn), 리튬(Li), 납(Pb), 카드뮴(Cd)
- Cathod(양극)
방전 시 전자를 받아 환원이 일어나는 전극. 용량증대(성능향상)와 관련.
- 전해액
이온의 이동이 일어나는 매개체. 주로 액체(수용액), 리튬 (유기용매_이온전도도 수준: 10^-3 s/cm) 
- 분리막
양극과 음극의 물리적 접촉을 막음.

 

 

* 니켈카드늄(Ni-Cd)
1899년 스웨덴의 발데마르 융너(Waldemar Jungner)에 의해 발명되었습니다. 방전전압은 1.2V이고, 용량은 알카라인 전지의 2배가 됩니다. 1980년 후반, 기존보다 60% 커진 용량으로 더 많이 사용되었습니다. 니켈카드늄 전지는 2차전지의 영역을 자동차와 산업용에서 휴대용 전자기기로 확대하는 역할을 했습니다. 오래 사용하기 위해서는 적절한 주의가 필요하지만 사용하기 쉽고 경제적이며 긴 수명을 가지고 있습니다. 단점은 메모리 효과를 가지고 있어서 주기적으로 완전 방전이 필요하고 높은 자기 방전율을 가지고 있습니다. 카드뮴은 독성 물질이라서 환경친화적인 배터리가 아닙니다.

Cf. 메모리 효과: 충전지를 완전 방전되기 이전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전지가 완전 방전으로 기억되어, 처음 가지고 있던 충전용량보다 줄어들면서 충전지 수명이 줄어드는 현상을 말합니다. 
=> 완전 충/방전해서 사용해야 합니다.

 

* 니켈수소(Ni-Mh)

1980년도에 안전성이 높은 수소 합금이 발견되어서 니켈수소 배터리의 개발이 본격적으로 진행되었습니다. 방전전압은 1.2V입니다. 니켈카드늄 배터리 용량의 2배이고 메모리 효과는 많이 사라졌습니다. 무엇보다도 독성이 거의 없어서 환경 친화적입니다. 단점은 높은 자기방전률을 가지고 있고 높은 온도에서 보관 시 성능이 저하됩니다. 과충전에 취약합니다. 고속 충전이나 큰 부하 방전 시 발열현상이 있습니다.


* 리튬이온(Lithium-ion), 리튬폴리머(Lithium Polymer)

현재 대부분의 휴대기기, 전기자동차, ESS에 사용되는 배터리입니다. 방전전압은 3.6 ~ 3.7V 입니다. 용량은 니켈수소 배터리의 2배 정도 됩니다. 배터리 셀의 사용 가능한 전압(3.0~4.1V)과 충/방전 가능한 온도 범위( - 0℃ 에서 충전금지)가 있어서 보호회로(PCM, BMS)가 필요합니다. 보호회로를 통해서 배터리 팩 안의 개별적인 모니터링이 가능합니다.

 

리튬이온 vs 리튬폴리머

리튬이온

리튬폴리머

 

	리튬이온 (Lithium-ion)	리튬폴리머 (Lithium Polymer)
전해질	액체	고체 또는 젤 형태
장  점	중금속 없음 < 수명	같은 크기에 더 큰 용량 (더 얇게 만듬) 호일 형 케이스 사용해서  무게20% 줄일 수 있음 중금속 없음 높은 안정성  (고분자 중합체: 폭발 위험성 X) 다양한 형태 가능
단  점	전해질 액체로 누액 가능성 고온에서 폭발 위험성 보호회로 필요 무거운 금속 케이스 사용	제조 공정이 복잡 스웰링 현상(부풀어 오름) 10%~30% 제조비용 증가 보호회로 필요

Cf. 스웰링 현상이란?

배터리의 전해액이 산화하며 발생하는 가스로 인해 배터리 내부에 가스가 차는 현상이며, 배부름 증상이라고도 합니다.

스웰링 현상이 일어나게 된다면 즉시 기기에서 떼어내어야 하며 폐기처분 하는것이 좋습니다.

 

 

배터리 상식 (3)

배터리 (3)