스크랩 [할리공부-31] 배터리의 종류와 장단점

[펀치]

더할리 클럽의 펀치입니다.

이 글에 등장하는 모든 자료는

제가 구글과 유튜브를 검색해서

모은 내용을 정리한 것인데,

바이크 구조나 정비 쪽으로는

거의 문외한이라 내용 중

잘못된 부분이 있을 수 있으니

지적해 주시면 반영하겠습니다.

자료를 정리하면서 자가 정비의 달인

흥달님의 도움을 많이 받았습니다.

깊이 감사드립니다.

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 납산 배터리 

1859년에 처음 발명된 제품으로,

습전지(濕電池, Wet cell)라고 부르며,

이름처럼 플레이트들이 전해질이란

용액 속에 잠겨 있는 형태입니다.

충,방전 과정에서 전해질이 증발하므로

주기적으로(특히 덥고 습한 날씨에서)

전해질을 점검하고 부족하면

보충해 주어야 합니다.

납산 배터리

납산 배터리를 일부 방전된 상태에서

보관하면 강한 산성을 지닌 분자들이

작용하면서 플레이트를 부식시켜,

나중에 충전을 할 때 일부에만

충전이 되면서 수명이 줄어듭니다.

브레이크 액의 누수 때문에 반드시

수평으로만 장착해야 해서 이동성이 큰

자동차, 바이크 등에서는 점차 사용이

줄고 있긴 하지만, 가격의 메리트가

워낙 커서 아직도 많이 사용됩니다.

 AGM 배터리 

 AGM 배터리란? 

AGM 배터리는 자동차나 바이크에서

가장 많이 사용되는 OEM 배터리로,

대부분의 할리 바이크도 출고 시

AGM 배터리를 장착하고 나옵니다.

할리 OEM AGM 배터리

AGM은 'Absorbed Glass Mat'의

약자로 내부에 흡착식 글라스 화이버

매트가 들어있다는 뜻입니다.

유동 상태의 황산 용액이 들어 있던

유동식 배터리는 전해질이 증발해서

주기적으로 액을 보충해야 하고,

배터리 액 누유 때문에 항상 수평으로

장착해야 하므로 흔들림이 많은

항공기, 차량, 바이크 등에는

사용하기 어려웠습니다.

하지만 AGM 배터리는 촘촘한 구조의

글라스 화이버 매트가 배터리 액을

흡착하기 때문에 증발과 누수 염려가

없는 제품으로, 80년대부터 상용화되기

시작했으며 항공기, 자동차, 화물운송

차량 등의 무게를 줄이고,

안정성을 높이기 위해 고안된

새로운 방식의 배터리입니다.

AGM 배터리는 배터리 설치 공간이

충분하지 않은 바이크에서 배터리 장착

위치를 확보하기 쉬운 장점이 있고,

더 가벼운 무게로 더 큰 출력을

만들어내므로 고가의 바이크에

들어가는 배터리로 많이 사용합니다.

뿐만 아니라 저온에서도 잘 작동하므로

선박, 보트 등의 수상 운송 도구와

로봇에도 많이 사용됩니다.

 <AGM 배터리의 구조>

AGM 배터리에는 여러 장의 음극, 양극

플레이트를 겹쳐서 팩처럼 만들어 놓은

셀(Cell) 사이에 글라스 화이버로 만든

매트가 들어 있습니다.

AGM 배터리의 구조

전해질을 머금은 매트가 음극과 양극을

분리하는 역할을 하므로 플레이트들이

더 밀착시킬수 있어서 납산 배터리보다

에너지 밀도가 높아집니다.

또한 방전될 때 나오는 가스를 빼내기

위한 블라우 밸브(blow-off valve)가

장착되어 있으며, 매트가 전해질을

단단히 붙잡고 있기 때문에 배터리

케이스 안에서 전해질의 철퍽거림이

없어 위치나 각도에 상관없이

어느 곳에나 장착이 가능합니다.

하지만 강한 산성 용액 때문에

대기 전압이 높아지기 때문에 수명이

조금 짧다는 단점도 지니고 있습니다.

AGM 방식은 납산 배터리와 비교할 때

이런 장단점을 갖고 있습니다.

일반 배터리는 잔존 수명을 나타내는

방전 깊이(depth-of-discharge)가

50% 정도면 수명을 다하지만, AGM은

방전 깊이가 80%에 도달할 때까지

사용할 수 있습니다.

반면에 단위 중량 당 내부 에너지의

그키를 나타내는  비(比) 에너지

(specific energy) 수치가 조금 낮고,

제조 단가가 조금 더 비싸다는

단점도 있습니다.

 젤(Gel) 배터리 

젤(Gel) 배터리

젤 배터리는 VRLA

(valve regulated lead–acid)라고

부르기도 하며, 젤 타입의

전해질을 사용합니다.

황산을 건식 실리카와 혼합하여

움직이지 않는 젤 형태로 만든 것으로,

전해질의 유동이 전혀 없기 때문에

장착 위치나 각도에 제한이 없고,

전해질 증발이나 누수 염려도 없으며,

진동이나 충격에도 강한 제품입니다.

 리튬이온 배터리 

리튬이온 배터리

리튬이온(Lithium-ion) 배터리는

이차 전지의 일종으로, 방전 시에는

리튬이온이 음극에서 양극으로

이동하고, 충전 시에는 반대 방향으로

이동하여 다시 제자리를 찾습니다.

리튬 이온 배터리의 원리 

리튬이온 배터리는 충전 및 재사용이

불가능한 일차 전지인 리튬 배터리와는

다르며, 고체 폴리머를 전해질로

사용하는 리튬이온 폴리머 배터리와도

다른 배터리입니다.

현존하는 배터리 중 최고의 성능이지만

가격이 너무 비싸 아직 널리 사용되지는

못하고 있으며, 원리도 매우 복잡하여

설명하기도 이해하기도 어렵습니다.

하지만 무게가 가볍고, 부피가 작으며,

 전기장치나 액세서리를 구동하기에

충분한 전력을 공급하는 것은 물론,

시동 시 클랭크를 돌려주는 힘인

냉간 시동 능력(CCA)도 뛰어납니다.

다른 배터리들은 일단 용량이 줄면

그 수준을 기억했다가 거기까지만

충전을 하는 '메모리 효과'가 있습니다.

반면 리튬이온 배터리는 메모리 효과가

없으며, 에너지 밀도가 높고 미 사용 시

자가방전도 작기 때문에 휴대용

전자기기들에 많이 사용되고 있습니다.

에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여

방위산업, 자동화 시스템, 항공산업

분야에서도 점점 그 사용 빈도가

증가하는 추세이며, 요즘 활발히

개발되고 있는 전기차에도

리튬이온 배터리가 사용됩니다.

참고로, 1985년 리튬이온 배터리를

개발한 존 구디너프, 스탠리 휘팅엄,

요시노 아키라 등 세 명의 연구진에게

2019년 노벨 재단은 노벨화학상을

수여한 바 있습니다.

 할리 리튬이온 배터리 

할리데이비슨도 2019년에 수명이

두 배 길고, 냉간 시동 능력과 안전성도

더 뛰어나다는 리튬이온 배터리를

출시했으나 겨울철 시동 불량 등의

이유로 현재 국내에서는

판매가 중지되어 있습니다.

 리튬 인산철 배터리 

리튬인산철(LiFePo4) 배터리는 과열,

폭발 등의 문제를 일으키며 안전에

취약하다고 알려진 리튬이온 배터리의

단점을 보완한 제품입니다. 

리튬이온 배터리는 리튬 인산철을

양극의 재질로 사용하며, 음극에는

그라파이트 카본을 사용합니다.

납산 배터리에 비해 출력, 안전성,

수명 등에서 많은 장점이 있으며,

자동차, 바이크 등 이동수단용

배터리로 많이 사용됩니다.

한편 그동안 바이크에 많이 사용했던

납산 배터리도 많이 진화하기 했지만

원천 기술 자체가 오래된 기술입니다.

이에 비해 새로운 기술을 기반으로 만든

'리튬 인산철 배터리'는 납산 배터리에

비해 다음과 같은 여러 가지

장점을 갖고 있습니다.

 1) 수명이 길다. 

인산철 배터리는 납산 배터리보다

4배 정도 긴 수명을 유지합니다.

최근 오프로드용 차량이나, 포르셰 등의

스포츠 카에 기본 배터리로 장착되는

인산철 배터리는 설계 수명이 무려

10년에 달하는데, 수명이 긴 이유는

원래 용량의 90%까지 방전 후에도

1,500회 이상 재충전이 가능하며,

이때에도 최초 성능의 80% 이상을

계속 발휘하기 때문입니다.

 2) 방전 후에도 회복이 가능하다. 

납산 배터리 안에 들어있는 물질들은

방전이 되면 재사용이 불가능하지만,

인산철 배터리는 방전이 되더라도

재사용이 가능한 물질로 만들어자며,

납산 배터리는 방전이 되면 다시

살리기 어렵지만 인산철 배터리는

완전 방전이 되더라도

95% 이상 성능 회복이 가능합니다.

 3) 충전 속도가 빠르다. 

인산철 배터리는 납산 배터리에 비해

충전 속도가 4배 정도 빠릅니다.

 4) 무게가 가볍다. 

납산 배터리 안에는 무거운 납과 염산이

들어 있어 무게가 많이 나가지만,

인산철 배터리는 출력을 내는 전지와

기판 외에 빈 공간은 폼(foam)으로

채워져 있으므로 가볍습니다.

물론 더 작게도 만들 수 있지만 차량의

기존 배터리 자리에 맞도록 크기를

맞추기 위해 빈 공간을 가벼운 폼으로

채우고 있습니다.

AGM 배터리와 비교해도 무게가

60% 이상 가벼우며, 같은 중량이라도

사용 용량이 훨씬 크기 때문에

실제 절감 중량은 80% 이상입니다. 

 5) 안전하다. 

납산 배터리는 과충전이나 과방전 시

수소가스가 새어 나올 위험성이 있고,

고온, 저온에서 성능이 급 저하됩니다.

리튬이온이나 리튬폴리머 배터리도

과충전이나 과방전 시 급격한

온도 상승으로 폭발이 발생할 수

있어 매우 위험합니다.

그러나 인산철 배터리는 과방전이나

과충전 시에도 내부만 손상될 뿐

폭발하지 않고, 강한 외부 충격이나

고온, 화재에도 폭발하거나 가스를

내뿜지 않으므로 현재까지

상용화된 배터리 중에서 가장 안전성이

우수하다고 알려져 있습니다.

 6) 에너지 밀도가 높다. 

리튬인산철 배터리는 납산 배터리에

비해 무게 당 에너지 밀도가

2배가량 높고, 리튬이온 배터리는

리튬인산철 배터리보다

1.5배 더 높습니다.

상용화된 배터리 중 에너지 밀도가

가장 높은 배터리는 리튬이온인데,

리튬인산철 배터리는 그만큼

에너지 밀도가 높진 않지만, 수명이

3~4배가량 더 길고, 더 안전합니다.

 7) 실제 출력 에너지가 더 많다. 

같은 100A 12V의 용량을 가진

납산 배터리와 리튬인산철 배터리를

비교하면, 납산 배터리는 완충 후

배터리에 손상이 안 가는 12.0V

수준까지 방전 시 출력되는 에너지가

600Wh 정도입니다.

하지만 리튬인산철 배터리는

1050Wh로 더 많으며, 9V까지

내려가도 배터리 손상되지 않고,

1,150Wh의 출력 에너지를 냅니다.

 8) 자가방전율이 낮다. 

납산 배터리는 매월 5~20% 정도씩

자가방전이 되며, 리튬인산철배터리는

월 1% 정도 자가방전됩니다.

즉, 납산 배터리는 완충 후 6~12개월

동안 재충전을 해주지 않으면 배터리가

자연 방전되어 영구 손상을 입지만,

리튬인산철 배터리는

1년 동안 충전을 안 해도

85% 정도의 용량을 유지합니다.

 9) 방전 특성이 좋다. 

납산 배터리는 지속 방전 시 배터리가

손상될 수 있지만, 리튬인산철 배터리는

지속 방전 특성과 순간 방전 능력

모두 납산 배터리보다 훨씬 뛰어납니다.

 10) 유지보수가 필요 없다. 

납산 배터리처럼 정기적으로 증류수를

보충하는 등의 유지보수가 수명주기

내에서는 전혀 필요 없습니다.

 11) 동절기에도 출력 저하가 적다. 

납산 배터리는 영하 5도 이하에서

급격히 성능이 저하되는 반면,

인산철 배터리는 영하 25도까지도

거의 출력 변화가 없습니다.

 12) 전압이 일정하다. 

납산 배터리는 출력이 일정하지 않아

볼트미터가 왔다 갔다 하지만,

인산철 배터리는 거의 일정한 전압을

안전적으로 공급해줍니다.

이처럼 많은 장점을 지닌

인산철 배터리의 유일한 단점은

가격이 비싸다는 겁니다.

일단 재료가 되는 인산철의 가격이

납보다 100배 정도 비싸고,

제조단가도 10배 정도 비쌉니다.

하지만 용량 효율이 훨씬 좋으므로

같은 성능을 내는 배터리와 비교하면

소비가 기준으로 2~30% 혹은

제품에 따라  2배 정도 비쌉니다.

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[흥달이]

굿입니다

[울트라클래식]

좋은정보 감사합니다 🙏 ^^

[바우네메리]

[로드킹황인섭]

좋은정보 감사합니다

[마징가Z]

굿정보입니다.
지금 밧데리 수명 다하면 인산철로 장착해보고싶네요 ㅎ

[호핑]

인산철배터리가 실제로 사용하다보면 부풀어오르는경우가 상당히 많더군요

[술탄자니아]

[겐 지]

[봉팔거사]

인산철 배터리를 4년째 사용중. 겨울에 시동이 잘 안걸리네요... 겨울 동안만 점프스타트 병행하여 해결.

[친구사이]

인산철 배터리 1년 정도 사용하였습니다. 방전 거의 없고 충전 빠르고 겨울에도 일발시동에 만족합니다.