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전지

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전지
다양한 전지들의 모습(왼쪽 위에서 오른쪽 아래로): 두 개의 AA, 하나의 D, 하나의 휴대용 햄 라디오 배터리, 두 개의 9볼트 (PP3), 두 개의 AAA, 하나의 C, 하나의 캠코더 배터리, 하나의 무선 전화기 배터리
종류능동
발명알레산드로 볼타
최초 도입1800년
핀 구성캐소드 및 애노드
전기 기호

전지(電池, 영어: Electric battery)는 하나 이상의 화학 전지로 구성된 전력원으로, 외부 연결을 통해 전자기기에 전원을 공급한다.[1] 전지가 전력을 공급할 때, 양극 단자는 캐소드가 되고 음극 단자는 애노드가 된다.[2] 음극으로 표시된 단자는 전자의 공급원이다. 전지가 외부 전기 부하에 연결되면, 음전하를 띤 전자들이 회로를 통해 흘러 양극 단자에 도달하며, 이 과정에서 양전하를 띤 이온 또는 양이온을 끌어당겨 산화·환원 반응을 일으킨다. 이로써 에너지가 높은 반응물은 에너지가 낮은 생성물로 변환되고, 깁스 자유 에너지 차이가 전기 에너지 형태로 외부 회로에 전달된다. 역사적으로 '전지(battery)'라는 용어는 다수의 전지로 구성된 장치를 지칭했으나, 오늘날에는 단일 전지로 구성된 장치까지 포함하는 용어로 사용이 확대되었다.[3]

일차 전지(일회용 또는 "폐기형")는 한 번 사용하고 버리는 전지인데, 이는 방전 중에 전극 물질이 비가역적으로 변화하기 때문이다. 흔한 예로 손전등과 수많은 휴대용 전자기기에 사용되는 알칼리 전지가 있다. 이차 전지(충전식)는 외부 전류를 사용하여 여러 번 방전 및 재충전이 가능하며, 역전류를 통해 전극의 원래 구성을 복구할 수 있다. 예로는 내연기관 차량에 사용되는 납 축전지 기반의 자동차 배터리, 그리고 휴대용 전자 기기나 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 전지가 있다.

전지는 보청기나 손목시계에 들어가는 초소형 전지부터 전화 교환기나 컴퓨터 데이터 센터의 비상 전력을 제공하는 방 크기의 거대한 전지 뱅크에 이르기까지 다양한 크기와 모양으로 존재한다. 전지는 휘발유와 같은 일반적인 연료보다 비에너지(단위 질량당 에너지)가 훨씬 낮다. 자동차의 경우, 연소 엔진에 비해 전기 에너지를 기계적 일로 변환하는 전기 모터의 높은 효율성으로 어느 정도 상쇄된다.

역사

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발명

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최초의 전지인 볼타 전지
이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타가 프랑스 황제 나폴레옹 보나파르트에게 자신의 전지를 시연하는 모습

벤저민 프랭클린은 1749년 연결된 라이덴병 축전기 세트를 사용해 전기 실험을 하던 중 처음으로 "battery"라는 용어를 사용했다.[4] 프랭클린은 무기가 함께 작동한다는 군사적 용어를 차용하여 여러 개의 병을 그룹화한 것을 "battery"라고 설명했다.[5] 병의 수를 늘림으로써 더 강한 전하를 저장할 수 있었고, 방전 시 더 많은 전력을 얻을 수 있었다.

이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타는 1800년에 최초의 화학 전지인 볼타 전지를 제작하고 설명했다.[6] 이것은 소금물에 적신 종이 원반으로 분리된 구리와 아연 판을 쌓은 것으로, 상당 기간 동안 일정한 전류를 생산할 수 있었다. 볼타는 전압이 화학 반응 때문이라는 것을 이해하지 못했다. 그는 자신의 전지가 에너지의 무한한 공급원이라고 생각했으며,[7] 전극에서 발생하는 부식 효과는 단순히 성가신 방해물일 뿐, 작동 과정에서 피할 수 없는 결과라고는 생각하지 못했는데, 이는 마이클 패러데이에 의해 1834년에 밝혀졌다.[8]

초기 전지는 실험적 목적으로는 매우 유용했으나[9] 실제로는 전압이 변동되어 장기간 동안 큰 전류를 제공할 수 없었다. 1836년 영국 화학자 존 다니엘이 발명한 다니엘 전지는 최초의 실용적인 전기 공급원으로서, 산업 표준이 되어 전신 네트워크의 전력원으로 널리 채택되었다.[10] 이것은 황산 구리 용액으로 채워진 구리 통과, 그 안에 담긴 황산 및 아연 전극이 채워진 유약을 바르지 않은 토기 용기로 구성되었다.[11]

이러한 습전지는 액체 전해질을 사용하여, 올바르게 취급하지 않으면 누출 및 엎질러지기 쉬웠다. 많은 전지가 구성 요소를 담기 위해 유리병을 사용했는데, 이는 깨지기 쉽고 위험할 수 있었다. 이러한 특징 때문에 습전지는 휴대용 기기에 적합하지 않았다. 19세기 말, 액체 전해질을 페이스트로 대체한 건전지의 발명으로 휴대용 전기 기기가 실용화되었다.[12]

진공관 기기용 전지는 역사적으로 필라멘트에 전력을 공급하기 위한 'A' 전지로는 습전지를, 판 전압을 제공하기 위한 'B' 전지로는 건전지를 사용했다.

진행 중인 발전

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2010년에서 2018년 사이 전지 수요는 연간 30% 성장하여 2018년 총 180 GWh에 도달했다. 보수적으로 예측하더라도 성장률은 25% 정도로 유지될 것으로 보이며, 2030년에는 수요가 2600 GWh에 달할 것으로 예상된다. 또한 비용 절감으로 인해 수요가 최대 3562 GWh까지 증가할 것으로 기대된다.[13]

전지 산업의 이러한 높은 성장률에 대한 중요한 이유는 수송의 전기화와 탈탄소화 이니셔티브의 지원을 받는 전력 계통의 대규모 배치가 포함된다.[13]

배터리 전기 자동차(V2G) 및 스마트 미터링을 갖춘 가정용 에너지 저장 장치와 같이 스마트 그리드에 연결되어 수요 반응을 수행하는 분산형 전지는 스마트 전력 공급 그리드의 능동적 참여자이다.[14] 부분적으로 소모된 전지의 이차적 사용은 서비스 수명을 연장함으로써 에너지 저장 비용과 환경 영향을 줄여 전지의 전반적인 효용을 높일 수 있다. 이 사용 방식에서는 전지 용량이 80% 미만으로 감소한(보통 5~8년 서비스 후) 전기 자동차 배터리를 백업 공급 장치나 재생 에너지 저장 시스템에 재사용한다.[15]

그리드 규모 에너지 저장은 전지나 발전소에서 에너지를 수집 및 저장한 후 필요할 때 방전하여 전기나 기타 그리드 서비스를 제공하는 대규모 전지 사용을 구상한다. 그리드 규모 에너지 저장(턴키 방식 또는 분산 방식)은 스마트 전력 공급 그리드의 중요한 구성 요소이다.[16]

계산적 패러다임 변화

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계산 모델링의 등장은 전지 재료 설계를 혁신하여 고속 스크리닝과 원자 시뮬레이션을 가능하게 함으로써, 기존의 시행착오 방식을 넘어 새로운 전해질과 전극 발견을 가속화하고 있다.[17]

화학 및 원리

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시연을 위한 갈바니 전지. 이 예에서 두 개의 반전지는 이온 이동을 허용하는 염다리로 연결된다.

전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환한다. 많은 경우 방출되는 전기 에너지는 전기화학 반응을 겪는 금속, 산화물 또는 분자의 응집 에너지[18] 또는 결합 에너지의 차이이다. 예를 들어, 에너지는 아연(Zn)이나 리튬(Li)에 저장될 수 있는데, 이들은 전이 금속과 달리 d-전자 결합으로 안정화되지 않기 때문에 에너지가 높은 금속이다. 전지는 에너지가 유리한 산화·환원 반응이 전자가 회로의 외부 부분을 통과할 때만 발생하도록 설계된다.

전지는 일정 수의 볼타 전지로 구성된다. 각 전지는 금속 양이온을 포함하는 전도성 전해질에 의해 직렬로 연결된 두 개의 반전지로 구성된다. 하나의 반전지에는 전해질과 음극(음전하를 띤 이온인 음이온)이 이동하는 전극이 포함되어 있고, 다른 반전지에는 전해질과 양극(양전하를 띤 이온인 양이온)이 이동하는 전극이 포함되어 있다. 캐소드에서 양이온은 환원(전자 추가)되고, 애노드에서는 금속 원자가 산화(전자 제거)된다.[19] 일부 전지는 각 반전지에 서로 다른 전해질을 사용하며, 이 경우 분리막을 사용하여 전해질 혼합을 방지하면서 반전지 간 이온 이동을 허용하여 전기 회로를 완성한다.

각 반전지는 표준 수소 전극에 상대적인 기전력(emf, 볼트로 측정)을 가진다. 전지의 순 기전력은 반전지의 기전력 차이이다.[20] 따라서 전극의 기전력이 ℰ1 및 ℰ2라면, 순 기전력은 ℰ2−ℰ1이다. 즉, 순 기전력은 반반응의 산화·환원 전위 차이와 같다.[21]

전지 단자 양단의 전기적 구동력 또는 ΔVbat은 단자 전압(차이)으로 알려져 있으며 볼트(V)로 측정된다.[22] 충전도 방전도 하지 않는 전지의 단자 전압을 개방 회로 전압이라 하며, 이는 전지의 기전력과 같다. 내부 저항[23] 때문에, 방전 중인 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압보다 작고, 충전 중인 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압을 초과한다.[24] 이상적인 전지는 내부 저항이 무시할 수 있을 만큼 작아서 소진될 때까지 ℰ의 일정한 단자 전압을 유지하다가 0으로 떨어진다. 만약 그러한 전지가 1.5볼트를 유지하고 1 쿨롬의 전하를 생산했다면, 완전 방전 시 1.5 줄(J)의 일을 수행한 것이다.[22] 실제 전지에서는 방전 중에 내부 저항이 증가하고 개방 회로 전압도 감소한다. 시간 대비 전압과 저항을 그래프로 그리면 결과는 일반적으로 곡선이 되며, 곡선의 모양은 사용된 화학 성분과 내부 배열에 따라 달라진다.

전지의 단자 양단에서 발생하는 전압은 전극과 전해질의 화학 반응에 따른 에너지 방출량에 달려 있다. 알칼리 전지와 망간 건전지는 화학 성분은 다르지만 대략 1.5볼트의 비슷한 기전력을 가진다. 마찬가지로 NiCd와 NiMH 전지는 화학 성분은 다르지만 약 1.2볼트의 비슷한 기전력을 가진다.[25] 리튬 화합물 반응의 높은 전기화학적 전위 변화는 리튬 전지에 3볼트 이상의 기전력을 부여한다.[26]

전기 전도성이 충분한 이온을 가진 거의 모든 액체나 습한 물체는 전지의 전해질 역할을 할 수 있다. 호기심이나 과학 시연으로, 서로 다른 금속으로 만든 두 전극을 레몬, 감자 등에 꽂아 소량의 전기를 발생시킬 수 있다.[27][28]

볼타 전지는 두 개의 동전(예: 니켈 동전과 페니)과 소금물에 적신 페이퍼 타월 조각으로 만들 수 있다. 이러한 전지는 매우 낮은 전압을 발생시키지만, 직렬 회로로 많이 쌓으면 잠시 동안 일반 전지를 대체할 수 있다.[29]

종류

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일차 전지와 이차 전지

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위에서 아래로: 대형 4.5볼트 3R12 전지, D 셀, C 셀, AA 셀, AAA 셀, AAAA 셀, A23 전지, 9볼트 PP3 전지, 한 쌍의 단추형 전지(CR2032 및 LR44)

전지는 일차 전지와 이차 전지 형태로 분류된다.

  • 일차 전지는 에너지가 소진될 때까지 사용한 후 버리도록 설계되었다. 화학 반응이 일반적으로 가역적이지 않아 재충전할 수 없다. 전지 내의 반응물 공급이 소진되면 전지는 전류 생성을 멈추고 쓸모없게 된다.[30]
  • 이차 전지는 재충전이 가능하다. 즉, 전류를 전지에 가하여 화학 반응을 역으로 돌릴 수 있다. 이는 원래의 화학 반응물을 재생하므로, 여러 번 사용하고 재충전할 수 있다.[31]

예를 들어 전신 회로에 사용된 일부 일차 전지 유형은 전극을 교체하여 작동 상태로 복원했다.[32] 이차 전지는 활물질 소실, 전해질 손실, 내부 부식으로 인해 무한히 재충전할 수는 없다.

일차 전지 또는 일차 셀은 조립 즉시 전류를 생성할 수 있다. 이들은 일반적으로 낮은 전류를 소모하고 간헐적으로 사용되는 휴대용 기기나, 다른 전력원을 사용할 수 없는 곳에서 간헐적으로 이용되는 경보 및 통신 회로에 가장 흔히 사용된다. 일회용 일차 전지는 화학 반응이 쉽게 가역적이지 않고 활물질이 원래 형태로 돌아가지 않을 수 있기 때문에 안정적으로 재충전할 수 없다. 전지 제조사들은 일차 전지 재충전을 시도하지 말라고 권장한다.[33] 일반적으로 이들은 이차 전지보다 높은 에너지 밀도를 가지지만,[34] 75 옴(Ω) 미만의 부하가 걸리는 고전류 응용 분야에서는 성능이 좋지 않다. 흔한 일회용 전지 유형으로는 망간 건전지와 알칼리 전지가 있다.

이차 전지(또는 이차 셀)는 처음 사용하기 전에 충전해야 한다. 이들은 일반적으로 방전된 상태의 활물질로 조립된다. 이차 전지는 전류를 가하여(재)충전하며, 이는 방전/사용 중에 일어나는 화학 반응을 역으로 되돌린다. 적절한 전류를 공급하는 장치를 충전기라고 한다. 가장 오래된 형태의 이차 전지는 납 축전지로, 자동차 및 보트 타기 응용 분야에 널리 사용된다. 이 기술은 밀봉되지 않은 용기에 액체 전해질을 포함하고 있어, 전지가 똑바로 세워져야 하며 과충전 시 발생하는 수소 가스의 안전한 분산을 위해 통풍이 잘되는 곳에 두어야 한다. 납 축전지는 공급할 수 있는 전기 에너지의 양에 비해 상대적으로 무겁다. 낮은 제조 비용과 높은 서지 전류 레벨 때문에 무게나 취급 문제보다 용량(약 10 Ah 이상)이 중요한 곳에서 흔히 사용된다. 일반적인 응용 분야는 현대적인 자동차 배터리이며, 일반적으로 450 암페어의 피크 전류를 전달할 수 있다.

구성

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건전지의 선화: 1. 황동 캡, 2. 플라스틱 밀봉, 3. 팽창 공간, 4. 다공성 판지, 5. 아연 캔, 6. 탄소 막대, 7. 화학 혼합물

갈바니 전지, 전해전지, 연료전지, 흐름 전지, 볼타 전지 등 다양한 화학 공정과 설계를 가진 많은 유형의 전기화학 전지가 생산되었다.[35]

습전지는 액체 전해질을 가진다. 액체가 모든 내부 부품을 덮고 있기 때문에 침수 전지(flooded cell)라고도 하며, 작동 중에 발생하는 가스가 공기 중으로 빠져나갈 수 있기 때문에 통기 전지(vented cell)라고도 한다. 습전지는 건전지의 전신이며 전기화학을 배우는 도구로 흔히 사용된다. 비커와 같은 일반적인 실험실 용품으로 제작하여 전기화학 전지의 작동 원리를 시연할 수 있다. 농담전지라는 특정 유형의 습전지는 부식을 이해하는 데 중요하다. 습전지는 일차 전지(충전 불가) 또는 이차 전지(충전 가능)일 수 있다. 원래 다니엘 전지와 같은 모든 실용적인 일차 전지는 상단이 열린 유리병 습전지로 제작되었다. 다른 일차 습전지로는 르클랑셰 전지, 그로브 전지, 분젠 전지, 크로뮴산 전지, 클라크 전지, 웨스턴 전지가 있다. 르클랑셰 전지의 화학은 최초의 건전지에 적용되었다. 습전지는 여전히 자동차 배터리나 산업 분야의 스위치기어, 통신, 대형 무정전 전원 장치용 비상 전력으로 사용되지만, 많은 곳에서 젤 배터리로 대체되었다. 이러한 응용 분야에서는 일반적으로 납 축전지나 니켈-카드뮴 전지가 사용된다. 용융염 배터리는 용융염을 전해질로 사용하는 일차 또는 이차 전지이다. 이들은 고온에서 작동하므로 열을 유지하기 위해 잘 단열되어야 한다.

건전지는 전류가 흐를 수 있을 만큼의 습기만 있는 페이스트 전해질을 사용한다. 습전지와 달리 건전지는 자유 액체가 포함되어 있지 않아 어떤 방향으로도 작동할 수 있고 흘러나오지 않으므로 휴대용 장비에 적합하다. 비교하자면, 초기 습전지는 일반적으로 상단이 열린 곳에서 납 막대가 매달려 있는 깨지기 쉬운 유리 용기였으며 유출을 방지하기 위해 주의 깊게 다루어야 했다. 납 축전지는 젤 배터리가 개발될 때까지 건전지의 안전성과 휴대성을 달성하지 못했다. 흔한 건전지는 망간 건전지인데, 간혹 건식 르클랑셰 전지라고도 불리며, 명목 전압은 알칼리 전지와 같은 1.5 볼트이다(둘 다 아연-이산화 망가니즈 조합을 사용하기 때문). 표준 건전지는 일반적으로 원통형 냄비 형태의 아연 애노드와 중앙 막대 형태의 탄소 캐소드로 구성된다. 전해질은 아연 애노드 옆에 페이스트 형태의 염화 암모늄이다. 전해질과 탄소 캐소드 사이의 남은 공간은 염화 암모늄과 이산화 망가니즈로 구성된 두 번째 페이스트로 채워지는데, 이 이산화 망가니즈는 탈분극제 역할을 한다. 일부 설계에서는 염화 암모늄이 염화 아연으로 대체된다.

비축전지는 조립되지 않은 상태(활성화되지 않고 전력을 공급하지 않음)로 장기간(아마도 수년) 저장될 수 있다. 전지가 필요할 때 전해질을 추가하는 등 조립하면 충전되어 작동 준비가 된다. 예를 들어 전자 포병 신관용 전지는 총을 쏠 때의 충격으로 활성화될 수 있다. 가속도가 전해질 캡슐을 깨뜨려 전지를 활성화하고 신관 회로에 전력을 공급한다. 비축전지는 일반적으로 긴 저장 시간(수년) 후 짧은 서비스 수명(수초 또는 수분)을 갖도록 설계된다. 해양 기기나 군사 응용 분야를 위한 해수 활성 전지는 물에 담그면 활성화된다.

2017년 2월 28일, 텍사스 대학교 오스틴은 리튬 이온 전지 발명가인 존 굿이너프가 이끄는 팀이 개발한 새로운 유형의 전고체 전지에 대한 보도 자료를 발표했다. 이 기술은 "휴대용 모바일 기기, 전기 자동차, 고정식 에너지 저장을 위한 더 안전하고, 더 빠르게 충전되며, 더 오래 지속되는 이차 전지로 이어질 수 있다"고 한다.[36] 전고체 전지는 또한 "에너지 밀도가 3배"라고 하며, 예를 들어 전기 자동차의 유용한 수명을 증가시킨다. 이 기술은 바닷물에서 추출한 나트륨과 같이 더 저렴하고 지구 친화적인 재료를 사용하므로 생태학적으로도 더 건전할 것으로 예상된다. 또한 수명이 훨씬 길다.[37]

소니그룹은 살아있는 유기체에서 관찰되는 과정과 유사한 방식으로 설탕에서 전기를 생성하는 생물 전지를 개발했다. 이 전지는 탄수화물을 분해하는 효소를 사용하여 전기를 발생시킨다.[38]

밀폐형 납 축전지인 VRLA 전지는 자동차 산업에서 납 축전지 습전지의 대체품으로 인기가 높다. VRLA 전지는 고정된 황산 전해질을 사용하여 누출 가능성을 줄이고 유통기한을 연장한다.[39] VRLA 전지는 전해질을 고정하며 두 가지 유형이 있다.

다른 휴대용 이차 전지로는 휴대전화 및 랩톱 컴퓨터와 같은 응용 분야에 유용한 여러 밀폐형 "건전지" 유형이 있다. 이 유형의 전지(전력 밀도와 비용이 증가하는 순서대로)에는 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-아연 전지(NiZn), 니켈-금속 수소화물 전지(NiMH) 및 리튬 이온 전지(Li-ion) 셀이 포함된다. 리튬 이온 전지는 건전지 이차 전지 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있다. NiMH는 더 높은 용량으로 인해 대부분의 응용 분야에서 NiCd를 대체했지만, NiCd는 전동 공구, 무전기, 의료 기기에서 여전히 사용되고 있다.

2000년대의 발전으로는 AA 전지를 USB 커넥터를 통해 충전할 수 있는 USBCELL, 현재 전지보다 방전율이 약 100배 더 높은 나노볼 전지, 그리고 과방전 시 손상을 방지하는 잔존 용량 모니터와 전지 보호 회로가 있는 스마트 배터리 팩이 있다. 낮은 자체 방전 NiMH 전지는 배송 전에 이차 전지를 충전할 수 있게 한다.

리튬 황 전지는 가장 길고 높은 태양광 동력 비행에 사용되었다.[40]

소비자 및 산업 등급

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모든 유형의 전지는 소비자 등급과 산업 등급으로 제조된다. 비용이 더 많이 드는 산업 등급 전지는 더 높은 전력 대 크기 비율을 제공하거나, 자체 방전이 낮아 사용하지 않을 때 수명이 길고, 누출에 더 강하며, 의료용 오토클레이브 멸균과 관련된 고온 및 다습한 환경을 견딜 수 있는 화학 성분을 사용할 수 있다.[41]

조합 및 관리

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표준 형식의 전지는 사용하는 기기의 전지 홀더에 삽입된다. 기기가 표준 형식의 전지를 사용하지 않는 경우, 일반적으로 여러 전지를 포함하는 맞춤형 전지팩으로 결합되며, 내부에 포함된 전지가 고르게 충전 및 방전되도록 보장하는 배터리 관리 시스템 및 전지 절연기와 같은 기능이 추가된다.

크기

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소비자가 쉽게 구할 수 있는 일차 전지는 전기 시계에 사용되는 작은 단추형 전지부터 신호 회로 또는 기타 장기 응용 분야에 사용되는 6번 셀까지 다양하다. 이차 전지는 매우 큰 크기로 만들어지며, 매우 큰 전지는 잠수함에 동력을 공급하거나 전력 계통을 안정화하고 피크 부하를 평탄화하는 데 도움을 줄 수 있다.

2017년 기준으로 세계 최대의 전지는 테슬라에 의해 남호주에 건설되었다. 129 MWh를 저장할 수 있다.[42] 중국 허베이성에 있는 36 MWh의 전력을 저장할 수 있는 전지는 2013년에 5억 달러의 비용으로 건설되었다.[43] 니켈-카드뮴 전지로 구성된 또 다른 대형 전지는 알래스카 페어뱅크스에 있었다. 이는 축구장보다 큰 2,000 제곱미터 (22,000 sq ft) 면적을 덮었으며 무게는 1,300톤이었다. 이는 정전 시 예비 전력을 제공하기 위해 ABB 그룹에 의해 제조되었다. 이 전지는 최대 7분 동안 40 MW의 전력을 제공할 수 있다.[44] 나트륨-황 전지는 풍력 발전을 저장하는 데 사용되었다.[45] 하와이의 Auwahi 풍력 단지의 출력을 안정화하기 위해 25분 동안 11 MW를 전달할 수 있는 4.4 MWh 전지 시스템이 사용된다.[46]

비교

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전압, 에너지 밀도, 가연성, 사용 가능한 전지 구조, 작동 온도 범위 및 유통기한과 같은 많은 중요한 전지 특성은 전지 화학에 의해 결정된다.[47]

성능, 용량 및 방전

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전지 전압 체크 장치

전지의 특성은 내부 화학 성분, 전류 소모, 온도를 포함한 많은 요인으로 인해 부하 주기, 충전 주기, 수명 동안 달라질 수 있다. 낮은 온도에서 전지는 많은 전력을 전달할 수 없다. 따라서 추운 기후에서는 일부 자동차 소유자가 자동차 배터리를 따뜻하게 유지하는 작은 전기 가열 패드인 배터리 워머를 설치한다.

전지의 용량은 지정된 단자 전압 아래로 떨어지지 않는 전압에서 전달할 수 있는 전하의 양이다. 전지에 포함된 전극 물질이 많을수록 용량이 커진다. 개방 회로 전압은 같더라도 작은 전지는 같은 화학 성분을 가진 더 큰 전지보다 용량이 작다.[48] 용량은 일반적으로 암페어시(A·h) 단위(소형 전지는 mAh)로 표시된다. 전지의 정격 용량은 일반적으로 새로운 전지가 지정된 셀당 단자 전압 이상을 유지하면서 20시간 동안 지속적으로 공급할 수 있는 전류에 20시간을 곱한 값으로 표현된다. 예를 들어 100 A·h 정격 전지는 실온에서 20시간 동안 5 A를 전달할 수 있다. 전지가 전달할 수 있는 저장 전하의 분율은 전지 화학, 전하가 전달되는 속도(전류), 요구되는 단자 전압, 저장 기간, 주변 온도 및 기타 요인을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다.[49][48]

방전율이 높을수록 용량은 낮아진다.[50] 납 축전지의 전류, 방전 시간 및 용량 간의 관계는(일반적인 전류 값 범위 내에서) 페커트의 법칙으로 근사화된다.

t=QPIk

여기서

QP는 1암페어 속도로 방전될 때의 용량이다.
I는 전지에서 인출되는 전류(A)이다.
t는 전지가 지속될 수 있는 시간(시간 단위)이다.
k는 1.3 정도의 상수이다.

충전된 전지(이차 전지 또는 일차 전지)는 전류를 생성하지 않고 전하 운반체를 소비하는 일반적으로 비가역적인 부반응이 존재하기 때문에 방전되지 않아도 시간이 지남에 따라 내부 자체 방전에 의해 전하를 잃는다. 자체 방전율은 전지 화학 및 구조에 따라 다르며, 일반적으로 상당한 손실이 발생하기까지 수개월에서 수년이 걸린다. 전지를 재충전하면 부반응이 후속 방전 용량을 줄인다. 충분한 재충전이 이루어지면 본질적으로 모든 용량이 손실되고 전지는 전력 생성을 멈춘다. 내부 에너지 손실과 이온이 전해질을 통과하는 속도의 제한으로 인해 전지 효율이 달라진다. 최소 임계값 이상에서는 낮은 속도로 방전하는 것이 더 높은 속도보다 전지의 용량을 더 많이 전달한다. 정격 A·h가 다른 전지를 설치하면 작동 시간은 변경되지만 부하 제한을 초과하지 않는 한 기기 작동은 변경되지 않는다. 디지털 카메라와 같은 고전류 부하는 이차 전지나 일차 전지의 총 용량을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10시간 또는 20시간 방전 시 2 A·h 정격인 전지는 명시된 용량처럼 2시간 동안 1 A의 전류를 지속하지 못할 수 있다.

C-rate는 전지가 충전되거나 방전되는 속도의 척도이다. 이는 전지를 통과하는 전류를 전지가 1시간 내에 정격 용량을 전달하는 이론적 전류 소모량으로 나눈 값으로 정의된다.[51] 단위는 h−1이다. 셀 내부의 내부 저항 손실과 화학 공정 때문에 전지는 1시간 만에 명판 정격 용량을 거의 전달하지 못한다. 일반적으로 최대 용량은 낮은 C-rate에서 발견되며, 더 높은 C-rate에서 충전하거나 방전하면 전지의 유용한 수명과 용량이 감소한다. 제조업체는 종종 용량 대 C-rate 곡선을 보여주는 그래프가 포함된 데이터 시트를 게시한다. C-rate는 또한 회로에서 전지가 안전하게 전달할 수 있는 최대 전류를 나타내는 전지 정격으로 사용된다. 이차 전지에 대한 표준은 일반적으로 4시간(0.25C), 8시간(0.125C) 이상의 방전 시간 동안 용량과 충전 주기를 정격화한다. 컴퓨터 무정전 전원 장치와 같은 특수 목적용 유형은 제조업체가 1시간(1C) 미만의 방전 기간에 대해 정격화할 수 있지만 주기 수명이 제한될 수 있다.

2009년 실험적인 리튬 인산철 배터리(LiFePO4) 기술은 가장 빠른 충전 및 에너지 전달을 제공하여 10~20초 만에 모든 에너지를 부하로 방전했다.[52] 2024년에는 5분 만에 10%에서 80%까지 충전할 수 있는 전기 자동차용 프로토타입 배터리가 시연되었으며,[53] 한 중국 기업은 자사가 도입한 자동차 배터리가 10.5분 만에 10%에서 80%까지 충전된다고 주장했다. 이는 현재 이용 가능한 가장 빠른 배터리로, 테슬라의 15분 반충전과 비교된다.[54]

수명 및 내구성

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아날로그 캠코더 리튬 이온 전지

전지 수명은 이차 전지에는 두 가지 의미가 있지만 일회용 전지에는 하나뿐이다. 완전히 충전된 전지로 기기가 실행될 수 있는 시간의 길이를 설명하는 데 사용될 수 있으며, 이는 명확하게 "내구성"이라고도 한다.[55] 이차 전지의 경우, 셀이 만족스럽게 작동하지 않게 되기 전까지 가능한 충전/방전 주기 수를 의미할 수도 있으며, 이는 "수명"이라고도 한다.[56] 유통기한(shelf life)이라는 용어는 전지가 제조부터 사용까지 성능을 유지하는 기간을 설명하는 데 사용된다. 모든 전지의 가용 용량은 온도가 낮아짐에 따라 감소한다. 오늘날 대부분의 전지와 달리 1812년에 발명된 잠보니 전지는 수리나 재충전 없이 매우 긴 서비스 수명을 제공하지만, 아주 적은 전류(나노암페어)만 공급할 수 있다. 옥스퍼드 전기 종은 1840년부터 원래의 전지 한 쌍으로 거의 계속 울리고 있는데, 이는 잠보니 전지로 생각된다.

일회용 전지는 일반적으로 실온(20–30 °C)에 보관할 경우 연간 원래 충전량의 8–20%를 잃는다.[57] 이는 "자체 방전"율로 알려져 있으며, 부하가 인가되지 않아도 셀 내에서 발생하는 전류를 생성하지 않는 "부" 화학 반응 때문이다. 낮은 온도에서 보관된 전지의 부반응 속도는 감소하지만, 일부는 동결로 인해 손상될 수 있으며 냉장고에 보관하는 것이 유통기한을 의미 있게 연장하지는 않으며 응결로 인한 손상 위험이 있다.[58] 오래된 이차 전지는 일회용 알칼리 전지, 특히 니켈 기반 전지보다 더 빠르게 자체 방전된다. 갓 충전된 니켈-카드뮴(NiCd) 전지는 처음 24시간 동안 충전량의 10%를 잃고, 그 후에는 매달 약 10%씩 방전된다. 그러나 최신 낮은 자체 방전 NiMH 전지와 현대적인 리튬 설계는 더 낮은 자체 방전율을 보인다(하지만 여전히 일차 전지보다는 높다).

전지 판의 활물질은 각 충전 및 방전 주기마다 화학적 조성이 변하며, 부피의 물리적 변화로 인해 활물질이 손실될 수 있어 전지를 재충전할 수 있는 횟수가 제한된다. 대부분의 니켈 기반 전지는 구입 시 부분적으로 방전된 상태이며 첫 사용 전에 충전해야 한다.[59] 최신 NiMH 전지는 구입 시 바로 사용할 수 있으며 1년에 15%만 방전된다.[60]

각 충전-방전 주기마다 약간의 성능 저하가 발생한다. 저하는 일반적으로 전해질이 전극에서 멀어지거나 활물질이 전극에서 분리되기 때문에 발생한다. 저용량 NiMH 전지(1,700–2,000 mA·h)는 약 1,000회 충전할 수 있는 반면, 고용량 NiMH 전지(2,500 mA·h 이상)는 약 500주기 동안 지속된다.[61] NiCd 전지는 내부 저항이 유용한 값을 넘어 영구적으로 증가하기 전에 1,000주기로 정격화되는 경향이 있다. 급속 충전은 부품 변화를 증가시켜 전지 수명을 단축한다.[61] 충전기가 전지가 완전히 충전되었음을 감지하지 못하면 과충전이 발생하여 전지가 손상될 가능성이 높다.[62]

NiCd 셀을 반복적인 방식으로 사용하면 "기억 효과"라고 하는 용량 감소가 나타날 수 있다.[63] 이 효과는 간단한 관행으로 피할 수 있다. NiMH 셀은 화학 성분이 비슷하지만 기억 효과로 인한 고통이 적다.[64]

자동차 납 축전지 이차 전지는 진동, 충격 및 온도 범위로 인한 스트레스를 견뎌야 한다. 이러한 스트레스와 납 판의 황산화로 인해 대부분의 자동차 배터리는 6년 이상 정기적으로 사용하기 어렵다.[65] 자동차 시동 (SLI: 시동, 조명, 점화) 배터리는 전류를 최대화하기 위해 얇은 판을 많이 가지고 있다. 일반적으로 판이 두꺼울수록 수명이 길어진다. 이들은 재충전하기 전까지 약간만 방전된다. 전기 골프 카트에 사용되는 것과 같은 "딥 사이클" 납 축전지는 수명을 연장하기 위해 훨씬 두꺼운 판을 사용한다.[66] 납 축전지의 주요 장점은 낮은 비용이며, 주요 단점은 주어진 용량과 전압에 대해 큰 크기와 무게이다. 납 축전지는 용량의 20% 이하로 방전되어서는 안 되는데,[67] 재충전 시 내부 저항으로 인해 열과 손상이 발생하기 때문이다. 딥 사이클 납 축전지 시스템은 수명을 단축시키는 손상을 방지하기 위해 저전압 경고등이나 저전압 전원 차단 스위치를 자주 사용한다.[68]

전지 수명은 화학 반응을 늦추는 냉장고나 냉동고와 같은 낮은 온도에서 보관함으로써 연장될 수 있다. 이러한 보관은 알칼리 전지의 수명을 약 5% 연장할 수 있으며, 이차 전지는 유형에 따라 충전량을 훨씬 오래 유지할 수 있다.[69] 최대 전압에 도달하려면 전지를 실온으로 되돌려야 한다. 0 °C에서 250 mA로 알칼리 전지를 방전하는 것은 20 °C에서보다 절반만큼만 효율적이다.[34] 듀라셀과 같은 알칼리 전지 제조업체는 전지를 냉장 보관하는 것을 권장하지 않는다.[33]

위험

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폭발

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폭발 후의 전지

전지 폭발은 일반적으로 일차 전지(비충전식)를 재충전하려고 하거나 합선과 같은 오용이나 오작동으로 인해 발생한다.

전지를 과도한 속도로 재충전하면 수소와 산소의 폭발성 가스 혼합물이 전지 내부에서 빠져나갈 수 있는 속도보다 빠르게 생성되어(예: 내장된 통풍구를 통해) 압력이 상승하고 결국 전지 케이스가 파열될 수 있다. 극단적인 경우 전지 화학 물질이 케이스에서 격렬하게 분사되어 부상을 입힐 수 있다. 이 문제에 대한 전문가 요약에 따르면 이 유형은 "애노드와 캐소드 사이에서 리튬 이온을 운반하기 위해 액체 전해질을 사용한다. 전지 셀이 너무 빨리 충전되면 합선이 발생하여 폭발과 화재로 이어질 수 있다"고 한다.[70][71] 자동차 배터리는 합선이 매우 큰 전류를 생성할 때 폭발할 가능성이 가장 높다. 이러한 배터리는 과충전될 때(전해질 내 물의 전기 분해로 인해) 매우 폭발성이 강한 수소를 생성한다. 정상적인 사용 중에 과충전량은 일반적으로 매우 적고 수소를 거의 생성하지 않으며 빠르게 소산된다. 그러나 자동차 "점프 스타트" 시 높은 전류는 대량의 수소를 빠르게 방출할 수 있으며, 이는 근처의 스파크(예: 점퍼 케이블을 분리할 때)에 의해 폭발적으로 점화될 수 있다.

과충전(전기적 용량을 초과하여 전지를 충전하려고 시도)은 전지 누액이나 돌이킬 수 없는 손상 외에도 전지 폭발로 이어질 수 있다. 또한 과충전된 전지가 나중에 사용되는 충전기나 기기에 손상을 줄 수 있다.

소각을 통해 전지를 폐기하면 밀폐된 케이스 내부에 증기가 쌓여 폭발할 수 있다.

누액

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전지 누액으로 손상된 알칼리 전지

많은 전지 화학 물질은 부식성 또는 유독하거나 둘 다 발생할 수 있다. 자연적으로나 사고로 전지 누액이 발생하면 방출된 화학 물질이 위험할 수 있다. 예를 들어 일회용 전지는 종종 아연 "캔"을 반응물로 사용하는 동시에 다른 시약을 담는 용기로 사용한다. 이러한 종류의 전지가 과방전되면 시약이 용기의 나머지 부분을 형성하는 판지와 플라스틱을 통해 나올 수 있다. 활성 화학 누액은 전지가 전력을 공급하는 장비를 손상시키거나 사용할 수 없게 만들 수 있다. 이러한 이유로 많은 전자 기기 제조업체는 장기간 사용하지 않을 기기에서 전지를 제거할 것을 권장한다.

폐기

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많은 유형의 전지는 전극이나 전해질로 납, 수은, 카드뮴과 같은 유독 물질을 사용한다. 전지가 수명에 도달하면 환경 피해를 방지하기 위해 폐기해야 한다.[72] 전지는 전자 쓰레기의 한 형태이다. 전자 쓰레기 재활용 서비스는 유독 물질을 회수하여 새 전지에 사용할 수 있다.[73] 미국에서 연간 구매되는 약 30억 개의 전지 중 약 179,000톤이 전국 매립지에 버려진다.[74]

섭취

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전지는 삼킬 경우 해롭거나 치명적일 수 있다.[75] 소형 단추형 전지는 특히 어린아이가 삼킬 수 있다. 소화관 내에 있는 동안 전지의 전기 방전은 조직 손상을 초래할 수 있으며,[76] 이러한 손상은 가끔 심각하며 사망에 이를 수 있다. 삼킨 디스크형 전지는 위창자길에 걸리지 않는 한 일반적으로 문제를 일으키지 않는다. 디스크형 전지가 가장 흔하게 걸리는 곳은 식도이며, 임상적 후유증을 초래한다. 식도를 성공적으로 통과한 전지는 다른 곳에 걸릴 가능성이 낮다. 디스크형 전지가 식도에 걸릴 가능성은 환자의 나이와 전지 크기의 함수이다. 더 큰 아이들은 21~23 mm보다 작은 전지에 문제가 없다. 전지에서 생성된 전류(보통 애노드에서)에 의해 수산화 나트륨이 생성되어 액화 괴사가 발생할 수 있다. 섭취 후 6시간 만에 천공이 발생하기도 했다.[77] 일부 제조사는 섭취를 방지하기 위해 전지에 쓴맛제를 첨가한다.[78]

입법 및 규제

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전지에 관한 입법에는 안전한 폐기 및 재활용과 같은 주제가 포함된다. 사고 및 고장, 화재나 폭발에 대한 보고에 대응하여 최근 몇 년 동안 리튬 이온 전지를 사용하는 기기의 리콜이 더 흔해졌다.[79][80]

미국

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미국에서는 1996년 수은 함유 및 재충전 가능 배터리 관리법이 수은 함유 전지의 판매를 금지하고, 이차 전지에 대한 통일된 라벨링 요건을 제정했으며, 이차 전지를 쉽게 제거할 수 있도록 요구했다.[81] 캘리포니아와 뉴욕시는 고형 폐기물로 이차 전지를 폐기하는 것을 금지하고 있다.[82][83] 이차 전지 산업은 미국과 캐나다 전역에서 재활용 프로그램을 운영하며, 지역 소매점에 수거 지점을 두고 있다.[84]

유럽 연합

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유럽 연합의 배터리 지침은 전지의 재활용 증가 요구 및 개선된 전지 재활용 방법에 대한 연구 촉진과 더불어 유사한 요건을 가진다.[85] 이 지침에 따라 EU 내에서 판매되는 모든 전지는 "수거 심볼"(바퀴 달린 통에 X 표시)로 표시되어야 한다. 이는 각형 전지의 표면 3%, 원통형 전지 표면 1.5% 이상을 덮어야 한다. 모든 포장재도 마찬가지로 표시해야 한다.[86]

2022년 12월 9일, 유럽 의회는 2026년부터 EU에서 판매되는 모든 전기 기기(습한 환경에서 주로 사용되지 않는 기기)의 설계자가 소비자가 스스로 쉽게 전지를 제거하고 교체할 수 있도록 강제하는 협의에 도달했다.[87][88]

같이 보기

[편집]

각주

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참고 문헌

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외부 링크

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