Battery의 원리

밧데리의 원리   선박에서 사용되는 밧데리는 화학반응을 이용해서 전기를 저장하도록 되어 있습니다.   화학반응을 일으키기 위한 활성물질로서, 양극(+)에는 이산화납(PbO2)이, 음극(–)에는 순수한 납(Pb)이 사용되고 있으며, 화학반응을 통해 전기를 저장하는 전해액으로서 묽은 황산(H2SO4)가 사용되고 있습니다.   방전시(밧데리의 전기를 선박에 공급)에는, (–)극에서는 Pb와 H2SO4가 화학반응을 일으켜서 황산납(PbSO4)과 전자가 발생하게 되는데, 이 전자가 전기에너지의 근원으로, (–)에서 (+)방향으로 흐르게 되면서 선박의 GMDSS기기에 전기에너지를 공급하게 됩니다.   (+)극에서는 PbO2와 H2SO4가 화학반응을 일으켜서 황산납(PbSO4)과 수소이온과 산소(O2)가 발생하게 되고, (–)에서 (+)로 흘러 온 전자는 수소이온과 결합하여 수소분자가 되고, 이 수소분자는 산소와 결합하여 물이 생성되게 됩니다. 즉, (+)극에는 화학반응의 결과로 황산납(PbSO4)과 물(H2O)이 발생하게 됩니다.   위와는 반대로 밧데리에 전력을 공급하게 되면 충전이 일어나게 되는데, 전자가 방전때와는 반대로 (+)에서 (–)로 이동하게 됩니다. (–)극에서는 전자가 황산납(PbSO4)내의 납(Pb)이온과 반응하여 온전한 납(Pb)을 생성하고, 이 납은 (–)극에 들러 붙게 됩니다. 이 반응으로 황산납(PbSO4)은 납을 잃게 되면서 황산만 남게 되고 이 황산은 전해액 속에 녹아 들어 초기상태인 묽은 황산(H2SO4)으로 돌아가게 됩니다.   (+)극에서는 잃은 전자로 인해 물(H2O)안의 산소와 황산납(PbSO4)이 반응하면서, 이산화납(PbO2)이 생성되고 (+)에 들러붙게 됩니다. 물이 산소를 잃게 되면서 수소이온만 남게 되고, 이것이 남겨진 황산과 반응하면서 초기상태인 묽은 황산(H2SO4)으로 돌아가게 됩니다.   이것으로 방전이 일어나기 전의 초기상태로 돌아가게 됩니다. 이론적으로 보면, 위의 화학반응은 영원히 반복될 수 있으며, 밧데리의 수명은 영원하다고 생각할 수 있지만, 안타깝게도 현실은 그렇지 않습니다. 그 원인은 위에서도 잠깐 언급한 sulfation이라는 황산납(PbSO4) 때문입니다.   위의 충전/방전 과정을 보면, 방전과정에서 황산납이 생성되고, 충전과정에서 황산납이 황산과 납으로 분해되는 것을 알 수 있습니다. 문제는 시간이 흐를수록 밧데리 전극판의 기능은 떨어지고, 방전된 만큼 충전하지 못하는 상황이 발생하게 됩니다. 그 결과 방전하면서 발생하는 황산납을 충전을 통해 100% 황산 및 납으로 환원(분해)되지 못하게 됩니다. 분해되지 못하게 남게 된 황산납은 시간이 흐를수록 딱딱해 지게 되며(결정화), 특별한 약품을 사용하지 않는 이상에는 황산납을 분해할 수 없게 됩니다.   ※ 참고로, 전기적인 힘을 가해서 분해할 수 있는 황산납을 soft sulfation, 전기적인 힘만으로는 분해가 불가능하고 약품을 사용     해야 분해할 수 있는 황산납을 hard sulfation이라고 합니다.   이 황산납은 전기가 통하지 않는 절연체의 성질을 가지는 관계로 밧데리의 내부저항만을 증가시켜, 충전효율 및 방전파워(방전을 통해 나오는 전기적인 힘)를 감소시키며, 전극판에 붙어서 증식해 나가는 성질이 있기 때문에 결국 밧데리의 충전용량은 시간의 흐름에 따라 줄어들게 됩니다.