[정보]배터리의 종류와 특성

[남겨진자]

1차전지는 한번만 사용하는 전지로 수은(현재는 생산중단-공해문제),망간, 알카라인, 리튬전지가 있다.

1차 전지는 원통형(Round Cell), 버튼형 그리고 기기 특성에 따라 변형된 배터리가 있다.

최근에 1차 전지를 충전하여 사용하는 경우도 있으나(알카바 전지), 분명히 배터리 사용 설명에 충전하지 말도록 경고하고 있다.

충전할 경우 전지 내부의 +극과 -극이 연결되면서 S합선이 일어 나기 때문에 사용기기의 고장발생 원인이 된다.

 

 

2차전지는 재충전하여 사용하는 배터리로 니켈 카드늄 (Ni-cd), 니켈 수소(Ni-MH), 납축전지(Lead_Acid), 리튬이온(Li-ion),리튬폴리머 등이 있다. 2차 전지중 Ni-cd 및 Ni-MH 는 표준형인 원통형(Round Cell)과 캠코더, 노트북 배터리에 사용되는 팩(Pack)모양 배터리가 있다. 일반적인 원통형(Round Cell)은 배터리 표면에 AA, AAA, C, D등이 표기 되어있다. 2차 전지는 약300회 정도 충전이 가능하며 매일 1번 충전, 방전 할 경우 1년 정도 수명을 갖게 된다. 배터리의 수명이란, 어느 순간에 사용하지 못하는 것이 아니고 점차적으로 사용시간이 줄어들게 되는 것이다.

배터리 규격은 전 세계 표준 규격을 사용하고 있다. 즉 카메라 배터리, 워크맨 배터리, 계산기, 시계 배터리등 제조사가 다를 뿐 사양은 동일하다.

 

 

1. 밀폐형 납산 (SLA) 배터리

원래의 납산 배터리와는 달리, SLA는 충전하는 동안 가스가 발생하여 전지내부의 수분이 고갈되는 것을 방지하기 위해 낮은 과전압(low-over voltage) 방식으로 설계되었다. 따라서 SLA는 긴 저장기간을 가질 수 있지만, 최대 용량으로 재충전 될 수가 없다. 충전배터리 중에서 SLA는 가장 낮은 에너지 밀도를 가지고 있다.

SLA는 일반적으로 대용량의 전기(bulk power)가 필요하고, 전지의 무게가 문제가 되지 않으며, 가격이 낮아야 하는 곳에 사용된다. 적용 가능한 기기의 범위는 1Ah에서 30Ah이며, 휠체어나 UPS 유니트, 비상조명 기구 등에 사용된다. 일부 이동 가능한 셀룰러 전화기나 캠코더에도 SLA가 사용된다. 자가방전이 적고 주기적 관리가 필요 없다는 특성 때문에, SLA는 의학용 기기에 이용된다. 고정장치에 사용되는 더 큰 SLA 배터리의 용량은 50에서 200Ah이다.

SLA는 메모리 현상이 없다. 배터리를 장시간동안 충전 상태로 놓아두어도 아무런 문제가 발생 되지 않는다. 충전효율도 재충전 배터리 중에서 가장 좋다. 반면에 니켈 카드늄 배터리의 충전 에너지의 약 40%가 3달 안에 자가 방전되어 버리지만 SLA는 같은 양의 자가방전에 1년이 소요된다. SLA의 초기 구매비용이 비싸지는 않지만 사용하는 방법이 완전 충전, 완전 방전을 반복하는 것이 필요하다면 니켈 카드늄 보다 더 비싸게 된다.
SLA는 급속충전이 적합하지 않다. 일반적인 충전시간은 8시간에서 16시간이다. SLA는 항상 충전된 상태로 보관되어야 한다. 방전상태로 놓아두면 전극이 황산화를 일으켜서 재충전이 전혀 불가능하거나 충전하기 어려운 상태로 만들어 버리게 된다.

니켈 카드늄과는 달리, SLA는 큰 폭의 충/방전을 좋아하지 않는다. 완전 방전은 전지 내부 극판이나 분리막 같은 것들을 변형시킬 수도 있다. 사실 각 충/방전 주기는 배터리에서 매번 약간씩의 용량을 줄여버린다. 이 손실은 배터리 상태가 좋을 때는 매우 작지만, 용량이 전체의 80% 이하로 떨어지면 이 때부터는 심각한 상태가 되어 버린다. 이런 성능저하 특성은 다른 종류의 재충전 배터리에도 일어난다. 큰 폭의 방전으로 인한 전지내부 변형을 완화시키기 위해서 보다 큰 용량의 SLA 배터리 사용이 효율적이다.

방전의 폭과 운용 온도에 따라서 SLA는 200에서 500회 정도의 충/방전 주기를 제공한다. 다른 충전용 배터리에 대해 상대적으로 사용기간이 짧은 주 이유는 셀 내부의 화학적 반응으로 인해서 전지 내부의 양(+)극판이 팽창하기 때문이다. 이런 현상은 온도가 높을수록 더 잘 나타난다. 충/방전 주기를 조정하는 것으로는 이런 팽창을 막을 수도 없고, 큰 폭의 충방전 주기가 이런 팽창세를 역전시킬 수도 없다. 그러나 SLA의 성능을 개선시키는 방법이 없는 것은 아니다.

SLA의 또 다른 단점이라면 다른 재충전 배터리에 비해서 에너지 밀도가 상대적으로 낮아서, 작은 크기의 기기에는 사용하기가 어렵다는 점이다. 이 단점은 낮은 기온에서 더욱 치명적으로 드러나는데, 왜냐하면 높은 부하전류를 내는 성능은 영하의 기온에서는 더욱 감소되기 때문이다. 역설적이지만, SLA는 고율의 펄스 방전에서는 더 좋은 성능을 낸다. 이런 펄스가 주어지는 동안은 1C 이상의 방전율을 낼 수가 있다.
다량의 납성분 때문에 SLA는 환경친화적인 제품은 아니지만 제대로 폐기 되지 않을 경우에 환경에 미치는 영향은 니켈 카드늄 보다는 조금 덜하다.

 

2.니켈-카드뮴(Ni-Cd) : 가장 저가이며, 때문에 가장 범용으로 쓰이는 2차전지입니다.
하지만 메모리효과(완전방전하지않고 충전하면 용량이 줄어드는 효과)와 자연방전의 효과가 있어 그리 훌륭한 전지라고는 볼수 없습니다.
소형 진공청소기나 전동칫솔, 면도기 같은 소형 무선 전기제품이나 충전식 완구등에 거의 이 전지가 들어있습니다.

 

 

3.니켈-수소(Ni-MH) : 정확한 명칭은 니켈메탈수소 전지이며 니켈-카드뮴에 비해 용량은 커졌지만 여전히 메모리효과를 가지고 있습니다.

예전에 노트북 등에 주로 니켈-수소 전지를 사용했지만 요즘은 거의 리튬-이온을 대체되었습니다.
Hybrid Electric Vehicle의 전원으로 사용되는 Ni/MH 2차 전지는 기존의 전기자동차용 전지에 비해 높은 Specific power를 요구하는 전지(1-2)로서 이러한 출력 향상을 위해서는 전지의 전체 저항성분을 감소시키는 것이 필요하다.

최근에 SAff사에서 개발된 HEV용(Prismatic cell)전지의 경우는 음극저항이 전체저항의 40%이상을 차지하는 결과를 보고하고 있는데 따라서 Internal cell resistance를 감소시키기 위해서는 음극저항을 감소시키는 것이 필요하다고 할 수 있다.

본 연구에서는 이러한 음극제조조건을 최적화 한 결과 Nickel Plated Punched Steel 기판을 전류 집전체로 사용하고 증점제(Hydro-prophyl methyl cellulose, HPMC), Binder(Styrene Butadiene Rubber, SBR), Conductive powder(Acetylene Black, Ni powder, Cu powder)의 조성이 MH powder'92.98%, HPMC(1.8wt% solution) : 0.62%, Binder(6owt% SBR solution) : 2.4%, conductive powder(filamentary Ni 80% + Cu powder(2-3um) 20%) : 4.0%에서 가장 낮은 전지저항을 나타내었다.

두 번째로 EV용 음극재료인 수소저장합금의 분말화 공정으로 Gas Atomization을 이용한 분말화 실험에서는 급속 응고에 의한 전극특성의 향상과 기계적 분쇄와 비교하여 구형의 균일한 형태의 분말생산의 가능성을 관찰하였다.

Gas atomization 조건을 최적화 하여 수소저장용량과 방전용량은 유지되면서 600cyc1es 후에도 97%이상의 방전용량을 보유하는 결과를 나타내 었다 

 

 

4.리튬-이온(Li-Ion) : 같은 크기안에 담을수 있는 전기용량이 최고입니다.
메모리 효과도 적습니다. 단 밧데리 안에 안정화 회로가 들어가야하고 전용의 충전기가 아니면 폭발의 위험도 있습니다.

가격이 비싼게 흠이지만 여러가지 장점(특히 부피에 비해 고용량을 충전할수 있기)때문에 요즘 대부분의 휴대폰이나 노트북, 디지탈카메라등에 많이 사용되고 있습니다.
리튬 폴리머 전지는 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지(LIB)의 안전성 문제를 해결하기 위한 노력에 의해 만들어진 전지로 그 작동원리는 리튬이온 전지와 동일하며, 젤타입의 고분자 (Polymer)가 양극과 음극 사이의 분리막을 구성하며, 전해질의 역할까지 하는 것을 말한다.

 

5. 리튬폴리머 전지는 이온 전도도가 우수한 고체 전해질을 사용, 액체전해질을 사용하던 전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성이 없다는 것이 가장 큰 장점이다.

또 고체 전해질을 사용하고 있어 형상을 다양하게 설계하는 것이 가능하며 휴대기기의 면적 전체를 활용할 수 있습니다.

한 마디로 "종이처럼 얇고 가벼울 뿐만 아니라 어떠한 모양으로도 만들 수 있는 안전한 전지" 라 할 수 있다.

 

 

리튬 계열의 장점

 

고출력 : 니카드전지나 니켈수소전지 약 3배의 Compact 효과가 있고 자가방전율은 니키드전지나 니켈수소전지보다 약 1/3 수준. 따라서 같은 성능의 납산배터리에 비해 부피와 중량이 작아 전동스쿠터 및 전동차에 적용사례가 늘어날 것으로 기대되나 현재로서는 가격대가 너무 높아 적용예가 적다. 단, 2006년~2009년 사이에 지속적으로 가격이 하락하여 현재가격의 1/2 이하로 가격하락이 진행되어 대중화할 수 있을 것으로 업계에서는 예측하고 있다.

 

환경친화적 : 카드뮴이나 수은 같은 환경을 오염시키는 중금속을 사용하지 않는다.

긴 수명 : 최소 500회 이상의 충방전 가능.

 

 

 

*메모리 효과

니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름으로 나타납니다.

 

여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, 즉 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰고 또 충전하고 하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비 가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다.

이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모리효과 라고 합니다.

 

따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법입니다.

그러나 리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않습니다.

오히려 조금쓰고 충전하고 조금쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과(표현이 정확하지 못할지도 몰라요)가 있습니다.

이러한 이유때문에 리튬이온전지가 Ni-계 전지보다 훨씬 비싼데도 더 수요가 늘어나고 사용자가 찾게되는 것 입니다.

 

 

* 본 게시물은 단지 배터리의 특성을 이해하는데 도움을 주기위한 것이며 특정 전기자전거의 주행성능을 비교하는 척도로

  사용되기위한 것은 아닙니다.

 

* 게시물의 원문은 http://www.fortunecity.com에 있으며(현재 접속 불가)  엠파스 블로거 Kevin님의 게시물을

   (http://blog.empas.com/kevinbravokr/17561449) 을 통해서 확인해 보실 수 있습니다

 

* 보다 간략하게 정리된 내용은 SLR클럽(http://www.slrclub.com)의 DV13.8V님께서 작성하신

   [충전용 배터리 정리..(클릭)] 편을 참조하세요.

[톨끼]

각각의 배터리 장단점이 너무나 쉽게 정리가 잘되어있어서 참고 많이 되었어요^^;

[삐콤씨]

오... 거의 논문 수준이네요... 주로 웹 상에서 정보를 얻기만 하는 저로서는 저런 정보(글)을 올리시는 분들이 참 존경스럽습니다. ^^;

[군고구마]

마지막 부분에 "리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 ....오히려 조금쓰고 충전하고 조금쓰고 또 충전하고 하면 Ni-계 전지와는 정반대로 수명이 길어지는 효과(표현이 정확하지 못할지도 몰라요)가 있습니다." 이런 말이 있는데 실제로 충방전을 하면 할수록 전기적 성능인 배터리 내부저항 및 용량은 떨어지게 됩니다. 좋은 글 감사합니다. 이 카페에서 많이 배우게 됩니다.~

[남겨진자]

좋은 지적이십니다. 어떤 배터리든지 충전사이클의 한계치가 존재하기 마련이니까요.

[알리고]

배터리 장단점이 너무나 쉽게 정리가 잘되 있네요 위 납산배터리에 대한 글중 오해의 소지가 있어 추가 설명합니다. 자가방전에 1년이 소요된다 라고 돼어 있는데 신품을 완충전하여 자기방전으로 1년이면 재 사용불가 상태가 됩니다. 또 큰 폭의 충/방전을 좋아하지 않는다란 말은 충전을 자주하면 안된다고 오해 할 수 있습니다. 이론상 80%방전하면 심각한 손상이 온다고 기록하고 있지만 실사용에서는 12v 기준으로 9v이하로 내려가면 손상이 빨라진다고 합니다. 자동차의 경우 시동만 걸면 충전기로 즉시 완충시켜 놓는 이유입니다.

[알리고]

또 오해를 하네요 그래서 또 씀니다. 방전을 했다고 해서 즉시 성능이 떨어진다는 뜻이 아닙니다. 방전 된 상태에서 완전방전이 될때까지 기다리면 안된다는 뜻입니다. 성능저하 원인은 시간입니다. 방전되어 있는 시간이 길어지면 전극판에 붙은 납이 굳어 버립니다. 따라서 사용을 하신다음 바로 충전을 하시면 표시가 날정도로 나빠지진 않습니다. 비유가 맞을런지 몰라도 치아에 치석과 같다고 할 수 있습니다. 음식을 먹고 바로 딱으면 금방 떨어지지만 방치하면 굳어서 떨어지지 않는 것과 같다고 할 수 있습니다. 치석 제거 할려면 돈이 들잖아요 배터리도 셀만 교체 하시면 새것하고 똑 같습니다.