맹그러 (Maker)

* 목차 *

배터리의 종류

배터리는 1차전지와 2차전지(충전용)로 분류된다.

1차전지는 일회용 전지로 망간, 알카라인, 리튬전지 등이 있고 2차전지는 충전하여 재사용 가능한 건전지로서 니켈 카드뮴 (Ni-Cd), 니켈 수소(Ni-Mh), 리튬이온(Li-ion), 납축전지(Lead-Acid) 등이 있다.

배터리 전압

가장 널리 사용되는 2차전지인 Ni-Cd, Ni-Mh 의 경우 (외부환경에 따라 약간의 차이 발생)

완전충전시 최고전압 : 1.45V

완전방전시 전압 : 0.8V

배터리 전압은 내부 화학 재료재에 따라 달라지고, 배터리를 직렬 연결시 전압(V)이 올라가고 병렬 연결시 전류(A)가 커진다.

망간, 알카라인 : 1.5V

Silver Oxide : 1.55V

Zinc Air : 1.4V

Ni-Cd, Ni-Mh : 1.2V

리튬: 3.0V

리튬이온 : 3.6V

배터리 규격

배터리 규격은 전세계 공통된 표준 규격이다. 즉 전자제품 종류별로(카메라 배터리, 계산기용 배터리) 사용되는 배터리의 사양은 동일하고 단지 제조사가 다를 뿐이다.

1차전지에는 원통형, 버튼형, 기타, 2차전지에는 표준형인 원통형, 팩(pack)모양 배터리가 있다.

배터리 개발의 필요성

현재 모든 전자제품 기기는 소형화 경량화 추세이다. 또한, 휴대용전화기, 노트북PC, 캠코더 등 굉장히 많은 휴대용기기가 있다. 따라서 이에 대한 배터리의 수요 또한 놀라울 정도로 증가하고 있다.

일본은 배터리산업에 많은 비중을 두고, 현재 전세계 배터리 시장에서 선두를 달리고 있고, 그 우수성도 널리 알려져 있다.

이러한 배터리 시장에서의 점유율을 높이고 외화획득을 위해서는 기술개발 습득이 중요한 요소이다. 배터리는 연구 개발 이상의 생산기술이 필요한 산업으로 기술우위에 서지 않으면 안된다.

건전지의 전압

건전지의 전압은 제조 후의 시간 경과에 따라 조금씩 저하하며, 방금 새로 만든 전지라도 제조과정에서 그 날 재료약품의 조합 형편에 따라 미묘하게 변화한다. 또 온도의 영향도 받는다. 따라서 전지의 전압은 정확한 표시가 불가능하므로 공칭 값으로 나타내고 있으며 망간건전지의 공칭 전압은 1.5V이다. 공칭은 '대표'의 의미이므로 실제의 전압값은 공칭값과는 조금 다르며 이 값을 중심으로 해서 다소의 증감이 있다.

그러나 실제로는 전지가 아주 새 것일 경우 개로전압(단자개방전압 : 전지의 단자에 아무것도 연결하지 않을 때의 전압)이 공칭 값을 밑도는 것은 거의 없다. 이제 막 구입한 전지가 반드시 새로운 것이라고 한정지을 수는 없지만 신선한 망간건전지의 개로전압은 1.6V 이상(공장에서 갓 나온 전지는 약 1.7V)도 있다. 만약 이 값 이하라면 그 전지는 제조하고 나서 어느 정도 시간이 경과해 조금 신선도가 떨어졌다고 판단해도 좋을 것이다.

건전지의 단자전압은 온도에 따라 변화한다. 온도가 높으면 단자전압은 높아지고 온도가 낮을 때는 단자전압이 낮아진다.

온도에 의한 단자전압의 변화량은 단자 개방시(개로전압)에는 근소하지만 부하시의 전압(폐로전압)에서는 출력전류가 큰 만큼 커지는 성질이 있다. 이상에서 건전지 단자전압의 온도 의존성은 기전력 그 자체보다는 내부저항의 변화 쪽이 보다 크게 관계함을 알 수 있다. 그것은 온도저하에 의한 화학반응의 불활발화가 내부저항 증가의 원인이기 때문이다.

건전지의 용량

건전지로부터 에너지를 출력하면 출력한 만큼 전지가 원래 가지고 있던 에너지량은 줄어드는 것이 당연하다.그 전지에서 어느 정도의 에너지를 출력시키는가는 출력할 수 있는 전류와 시간을 곱한 값으로 나타내며 이것을 그 전지의 방전용량 또는 단순히 용량이라 말한다.

용량 = 끄집어내는 전류 (A) x 끄집어내는 시간(h)

단위는 Ah(Ampere Hour) 인데, 예를 들어 3Ah 용량의 전지라고 하면 1A의 전류를 3시간 또는 3A의 전류를 1시간 흘릴 수 있는 용량이 되는 셈이다. 용량이 작은 전지의 경우는 Ah로는 단위가 너무 크기 때문에 그 1/1000인 mAh를 사용 하기도 한다.

여기서 말하는 전지의 용량이란 전지가 가지고 있는 에너지 전부가 모두 소진될 때까지 출력했을 때의 양을 말하는 것은 아니다.

전지를 전원으로 하는 기기를 동작시키기 위해서는 그 기기를 동작시키기 위해 필요한 전류를 흘리기에 충분한 전압이 확보되지 않으면 안 된다. 전지에서 에너지를 출력하면 용량의 감소와 함께 기전력, 즉 전지의 단자전압도 저하한다. 전압이 너무 저하하면 기기가 동작할 수 없게 되지만 동작 정지가 되는 전압은 기기에 따라 다르므로 전지측에서 일방적으로 최저 전압을 전하여 이 전압에 도달했을 때를 그 전지용량의 종료로 하며, 이 전압을 방전종지전압이라 한다. 그러므로 전지의 단자전압이 방전종지전압을 밑돌아도 아직 그 전지에는 에너지가 남아 있지만 그 에너지는 이제 사용할 수 없게 되는 셈이다. 방전종지전압은 전지메이커에 따라 조금씩 다른 값을 가지지만 공칭값 1.5V의 망간건전지는 1V 또는 0.9V인 것이 많다.

건전지의 자기방전과 보존

건전지는 화학제품이면서 생물이기 때문에 제조 직후부터 열화(劣化)가 시작된다. 전혀 사용치 않은 봉인한 상태의 전지라도 전지의 내부에서는 조금씩 에너지를 잃어가는데, 이것을 전지의 자기방전이라 한다. 자기방전은 온도와 습도가 높을수록, 제조후의 경과시간이 길수록 그 진행속도가 현저히 빨라진다. 그러므로 전지가 신선한 기한은 제조하고 나서 약 1년 이내라고 생각하면 좋다. 건전지의 종류에 따라서 더 오랫동안 신선도를 유지하는 품종도 있으므로 일괄적으로는 말할 수 없으며, 이것은 어디까지나 목표이므로 상미기한(賞味期限)이라 표현한다.

최근 전지의 제조 및 품질관리기술은 극히 우수하므로 1년 정도의 시간경과로 사고가 생기면 그 원인은 판매점 등에서의 보관에 문제가 있다고 생각해도 좋을 것이다.

전지의 보존은 사진필름과 같이 건조한 냉암소가 바람직하지만 전지는 감광하지 않으므로 특히 어두울 필요는 없다. 냉장고에 넣어두는 것은 좋지만 빼냈을 때 이슬이 맺혀 단자간의 절연을 악화시키거나 너무 차서 전해액을 소모시키든지 얼게 할 우려가 있으니 너무 마음 쓸 필요는 없다. 그만큼 보존에 신경을 쓴다면 필요한 정도의 신선한 것을 필요한 양만큼 구입하는 편이 훨씬 합리적이다.

건전지의 수명

전지의 수명이 다 되었다고 하는 것은 전지 측에서 보면 전지의 에너지가 다했다는 것이며 전지 속에서 화학반응이 이제 더이상 진행하지 않는 상태를 말하는 것이지만, 사용하는 기기 측에서 말하면 거기에 이르는 것보다 훨씬 이전의 상태, 즉 그 전지를 사용하고 있는 기기가 동작 불능이 된 시점을 말한다. 그런데 사용하는 기기의 동작전류의 크기에 따라 같은 전지라도 동작불능이 되는 시점은 가지각색이므로 이것만 가지고는 그 전지의 수명을 정의할 수 없다.

그래서 전지메이커에서는 '방전종지전압'이라는 일정한 전압점을 정하고 동작중의 전지전압이 이 점까지 강하했을 때를 그 전지의 수명이라 한다. 방전종지전압은 전지의 공칭 전압의 차이와 방전특성의 차이, 성능시험의 규정 등에 의해 독자적으로 정해져 있으므로 메이커에 따라 다소 차이가 있다. 그래도 공칭값 1.5V의 망간건전지의 경우는 폐로상태(기기에 장착해서 전류를 흘리고 있는 상태) 에서 1.0V 또는 0.9V까지 저하한 시점을 그 전지의 '수명'이라 하는 경우가 많은 것 같다. 이 값은 부하상태의 단자전압이기 때문에 수명이 다한 전지라도 다른 기기에 사용하면 아직 사용 가능한 경우도 있다. 그 전지를 사용하고 있는 기기를 만족스럽게 동작시킬수 없게 되는 소모 상태가 수명이다.

건전지의 폐기 (1차전지)

건전지에는 수은이 사용되고 있다. 이것은 - 극인 아연의 소모를 방지하고 전해액과의 접촉을 양호하게 하여 내부저항을 감소시키기 위한 것이다. 수은 등의 중금속 외에도 전지 재료에는 유해, 유독물질이 포함되어 있는 경우가 있다. 그러므로 사용 후 전지를 안이하게 폐기하는 것은 삼가해야 한다.

환경오염의 공포는 곧바로 그 결과가 눈에 보이진 않지만 누구에게라도 인식되었을 때는 이미 원래 상태로 회복하는 것이 거의 불가능하다는 데 이다. 고작 전지 한 개쯤은, 자기 한 사람즘은 어떻게 해도 괜찮겠지 하고 생각하기 쉽지만 결코 그렇지 않다. 환경을 오염시킨 보복은 언젠가 반드시 오염시킨 자신에게도 돌아온다.

건전지 취급법 요약

1.단락시키지 말 것

단락은 전지를 빨리 못 쓰게 만든다. 과거에는 전지만이 단락의 피해자였지만, 현재의 전지는 상당히 큰 파워를 가지고 있으므로 발열, 발화, 화상 등의 위험이 주위에까지 미칠 염려가 있다.

2.극성 (+ -)을 바꾸지 말 것

기기의 전지실 표시에 주의하기 바란다. 어떤 타입이라도 탄력이 있는 쪽이 (-)로 정해지는 것은 아니다. 미리 서둘러 판단하지 말자.

3.분해하거나 불 속에나 물 속에 던지지 말 것

강알칼리 유출이나 폭발의 위험이 있다. 특히 리튬은 물과 격렬하게 반응하므로 위험하다.

4.충전하지 말 것

5.전지단자에는 납땜질하지 말 것

건전지의 단자에 리드선을 납땜질하여 직렬연결해서 사용하는 사람이 있다. 알칼리건전지에서 가스방출기가 작동이 안 될 우려가 있어 위험하므로 그만두자.

6.새로운 전지와 오래된 전지, 품종이나 용량이 다른 전지를 섞어 사용하지 말 것

7.오래 사용하지 않는 기기는 전지를 꺼내 둘 것

8.사용하지 않는 전지는 저온, 저습도로 보존할 것

9.전지의 불필요한 사재기를 하지 말 것

10.폐기는 정해진 방법을 정해진 장소에서 할 것

에너지밀도(energy density(Wh/I)

[energy density (Wh/l)]

250 Wh/l, 300 Wh/l 로 표시되는 용량밀도는 전지를 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하는 판단기준이 된다. 전지에 보면, 1200mAh, 1500 mAh 등으로 표시되어있는 것을 볼 수 있다. 이것은 전류의 근원이 되는 전하량이다. 또한 전지에는 1.2 V, 3.6 V 등으로 전압이 표시되어 있다. 전력량은 Wh = Ah (전하량) x V (전압) 의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000mAh 에 3.6 V 라고 하면 3.6 Wh 가된다. 여기에 부피를 나누어 주면 Wh/l 단위의 energy density를 구할 수 있다.

[specific energy]

Wh/Kg 으로 표시되며, 얼마나 가벼운 전지를 만들 수 있는가에 대한 척도로 작용한다. 앞에서 구한 Wh 를 전지의 무게로 나누며, 120 Wh/Kg 등으로 표시된다.

2차전지의 수명(cycle life)

[cycle life]

2 차 전지는 충전과 방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 2000 mAh 이었던 용량이 몇 백번 충 방전을 하면서, 1500, 1000, 800 mAh 까지도 줄어든다. 일반적으로, cycle life 는 초기용량의 60 % 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충 방전 회수로 정의한다. 예를 들어 cycle life 가 500 회라고 하면, 500 쓰면 용량이 줄어들어 전지를 교체해야 하는 것 으로 알고 있는데 사실은 그렇지는 않다. 500 회란 것은 100 % D.O.D. 에서 500 회라는 것이다. D.O.D. 는 Depth Of Discharge 의 약자로서, 용량이 1000mAh 라고 하면, 1000mAh 를 100 % 다 소진하고, 충전했을 때에 cycle life 를 의미 한다. 그러나, 실제는 70-80 % 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80 % D.O.D 에서는 cycle life 는 2-3 배 정도 증가된다. Cycle life 는 교과서적인 정의에 바탕을 둔 성능 항목이므로 해석할 때 주의를 기울여야 한다.

용량과 방전전류, 방전시간의 관계

축전지에서 뽑아낼 수 있는 전기량은 방전전류와 방전시간 간의 관계에 의하여 나타난다.

【예】10A(암페어)로 2시간 방전시킬 경우 어느정도의 용량을 가진 축전지가 필요한가?

<1>전류계수를 구하면 → 0.36

<2>용량=방전전류/전류계수 = 10/0.36≒28AH

【예】100Ah의 전지를 20A(암페어)로 방전했을 때의 방전 가능 시간은 어느 정도인가?

<1>전류계수 = 방전전류 / 용량=20/100 = 0.2

<2>그림17에서 방전시간을 구하면 → 4시간

【예】120Ah의 전기를 0시간 방전시킬 때의 최대 방전 전류는 어느 정도인가?

<1>전류계수를 구하면 → 0.09

<2>방전전류 = 용량 x 전류계수 → 120 x 0.09 = 11A

주의 :

축전지를 장기간 사용할 때는 산출된 수치의 2~3배의 용량을 가진 축전지를 선정하여야 한다. 또, 사용기간, 방전전류에 대해서는 산출되는 시간, 전류의 1/2~1/3의 수치로서 사용하여야한다.

충전시 가스 발생에 주의

차의 배터리를 충전하게 되면 전조에서 가스가 활발하게 발생한다. 배터리를 제거하여 충전기로 충전하는 경우뿐만 아니라 차의 주행중에도 충전되고 있다면 마찬가지이다. 이 현상은 전해액 속의 물이 전기분해되기 때문이며 약간의 자연증발분을 제외하고 전해액 감소의 최대 원인이 된다.

가스의 발생은 소전지당 단자전압이 2.35에서 2.4V(12V 배터리로 환산하면 14.1에서 14.4V) 정도에 도달한 시점부터 급격히 증가한다.

+극판에서 발생하는 것은 산소, -극판에서 발생하는 것은 수소이며 그 체적비는 산소 1 대 수소 2의 비율이다. 가스는 전조 내에서 혼합되어 배터리의 배기구로 나오지만 산소 1 대 수소 2의 혼합비는 가장 인화 폭발하기 쉬운 상태이므로 충분한 주의가 필요하다.

납축전지의 초기 충전

축전지는 건전지와 달라서 제조된 시점에서는 전기에너지가 없다. 충전에 의해서 처음으로 전지로서의 생명이 주어지고 활동이 시작되기 때문이다. 이와 같이 처음의 제1회 충전을 초기충전 이라고 하며, 일반적인 충전과 달리 0.05C 이하의 작은전류로 20시간 이상 충전한다. 이 동작에 의해 전지극판의 화성(化成)이 완료되고 2차전지로서의 기능이 부여된다.

아기의 이유식과 같이 처음에는 조금씩 먹여서 전기에 익숙해지도록 해야 하므로, 이 동작은 신중하게 행할 필요가 있다. 약 10년 전까지는 새로 구입한 납축전지는 반드시 초기충전한 뒤 사용하지 않으면 안 되었는데, 이것은 귀찮은 일이다. 최근의 전지는 제조업체의 출하 시점에서 초기 충전이 되므로 그와 같은 주의는 전혀 필요없다.

그러나 여러 해 동안 수련을 쌓은 OM 중에는 신규 구입한 배터리는 꼭 초기충전이 필요하다는 생각이 있어서인지 납축전지뿐만 아니라 니켈카드뮴 축전지까지 장시간 충전을 하는 사람이 있다. 시질적인 손해는 없겠지만 쓸데없는 행동이다.

부식이나 녹도 전지

녹은 금속이 산화하여 부식할 때 생기는 생성물이다. 산화란 물질이 산소와 화합하거나 수소를 잃어버리는 것 또는 전자를 잃어버리는 것을 말하며, 산화에는 반드시 전자의 교환이 수반된다. 산화의 역화학반응은 환원이라 한다. 전자의 이동이 전류이므로 부식이나 녹은 금속이 전지를 형성하면 반드시 발생한다.

전해액 중에 다른 종류의 금속을 두면 전지가 형성된다. 이때 발생하는 기전력은 편성된 각각의 금속에 따라 고유한 값을 가지며, 각 금속의 고유한 기전력을 단극전위라 한다. 쇠못에 구리선을 감아 식염수에 담궈 공기중에 놓아두면 머지않아 철이 부식하여 그표면에 녹이 발생한다. 이것은 볼타전지의 아연과 같이 철의 이온이 전해액 속에 녹아서 전지를 형성하기 때문이다.

쇠못만으로도 부식이 일어나 녹이 생기지만 이것은 같은 철이라도 불순물의 존재에 따라 약간 표면 조성 상태가 다르므로 공기에 함유된 수분을 전해액으로 해서 이온이 생기고 국부적으로 미소한 전위차가 생겨 전지를 형성하는 것이다.

공기아연전지

현재 시판되고 있는 공기아연전지는 단추형으로 주로 보청기에 사용되고 있으며 이 전지의 -극 활물질은 아연이지만 +극 활물질은 공기중에 포함되어 있는 산소로서 발전 메커니즘은 전지 내의 직접적인 산화반응을 이용하고 있다. 그러므로 본래 건전지가 아니고 일종의 연료전지로 생각하는 편이 옳을지도 모른다.

일반의 전지와 달라서 +극 활물질을 전지 내에 수납하고 있지 않으므로 그 용적만큼 아연량을 증대할 수 있으며, 전지 용 적당 용량은 건전지 중에서 최대이다. 전지케이스의 밑부분에는 공기 취입구가 있고 시판시에는 여기에 봉인지가 붙어있다.

사용할 때에 봉인을 떼면 취입구로부터 공기가 전지 내에 유입되어 수초 후에 약 1.4V의 공칭 기전력(개방 기전력)을 발생 한다.

이 전지는 폐로시의 단자전압이 공칭값과 꽤 차이가 있는데 전지용량도 그러하겠지만 일반적인 것으로는 1mA의 전류를 출력하고 있는 상태에서 약 1.3V 전후, 2mA 부하에서 1.25V 전후로 제법 큰 변동을 보인다. 이것은 구조적으로나 발전원리적으로 원래 내부저항이 다른 전지에 비해 높기 때문이다. 그러나 내부저항 자체는 방전의 전 과정을 통해서 그다지 변화하지 않으며 기전력도 방전이 끝날 때까지 일정값으로 안정되어 있으므로 소비전류가 그다지 크게 변동하지 않는 부하에서는 아무런 실질적 손해는 없으며, 용도에 따라서는 오히려 이러한 정전류적인 특수한 성질이 이점이 될 수도 있다.

상용 교류 이외의 전원으로 충전할 때

보통 이러한 충전은 그다지 고려되지 않지만 사정에 따라서는 자동차용 배터리, 태양전지, 자전거의 발전기 등으로 소형의 니켈 카드뮴 축전지를 충전하고 싶은 경우가 있다. 자동차용 배터리와 같이 충전하는 쪽의 전기용량이 충전되는 쪽의 전지보다 충번히 크고 동시에 전압이 일정하면 문제없이 충전전원으로서 이용할수 있다. 물론 충전전압은 충전하려는 전지의 충전완료시 전압보다 높아야 하므로 보통 승용차의 자동차용 배터리로 공칭 전압 12볼트의 니켈카드뮴 축전지를 충전할때는 전압이 조금 부족하다. 같은 전압으로 충전할 수 없는 것은 아니지만 결코 가득 차지는 않는다. 이런 경우 배터리 전원에서 절연형 DC-DC 컨버터를 구동하여 3,4V 정도의 직류를 발생시키고 이것과 원래의 배터리 전압을 직렬로 해서15~16V의 높은 전압을 얻는 방법이 있다.

야간에 자전거의 존재를 표시하기 위해 시판되고 있는 점멸등은 그 전원으로 건전지를 사용하고 있는 것이 대부분이다. 자전거에는 전조등용의 발전기가 있으므로 이것을 전원으로 쓰면 좋을 것 같지만, 자전거의 발전기는 교류기라는 것과 정류한 상태로는 주행속도에 따라 전압이 심하게 변동하여 점멸동작동 IC 회로 (3V가 필요)가 동작하지 않으므로 소용이 없다.

납축전지의 내부저항

납축전지를 건전지와 비교했을 때 충전할 수 있다는 것 이외의 두드러진 특징은 그 내부저항이 극히 낮으며 필요하면 단시간에 큰 전류를 출력할 수 있다는 점이다. 물론 내부저항은 전지의 극판 대항면적, 거리 전해액의 성질, 온도 등에 따라서 달라지므로 용량도 다른 전지와 단순히 비교할 수 없지만 일반적으로 용량이 같으면 건전지보다는 축전지 쪽이 내부저항이 낮으며 게다가 납축전지는 다른 축전지에 비해 내부저항이 더 낮다. 이것은 주로 구조적인 이유에 의한 것이다.

내부저항이 낮다는 것은 그만큼 단시간에 큰 전류를 흘릴 수 있다는 것이며, 소위 순발력이 크다는 것이다. 이것이 차의 시동기용으로 납축전지가 즐겨 사용되는 이유중 하나이다.

다만 어떤 전지라도 그렇겠지만 내부저항이 낮다고 하는 것과 전지 자체의 용량이 크다는 것 사이에는 직접적인 인과관계는 없으므로 오해 없기를 바란다. 용량이 같으면 큰 전류를 흘리는 쪽이 에너지를 빨리 소모하는 것은 당연한 이치이다. 그래서 큰 전류를 흐르게 할 필요가 있는 전지는 대체로 그 용량을 크게 설계해 두는 것이다.

납축전지의 보수(保守)

일반적인 납축전지에서는 충방전에 의한 화학반응 사이클에서 극판간 전해액 속의 항산 교환이 이루어진다. 그러나 물의 교환이 없으므로 조금씩 증발해서 없어진다. 또한 충전 말기나 과충전상태에서는 물의 전기분해가 활발하게 일어나며 +극 에서는 산소가스, -극에서는 수소가스로 되어 물이 점점 없어진다. 물이 없어진 결과 전해액의 황산 농도는 상승하며 전해 액량은 감소한다.

황산 농도가 높으면 극판의 파손이 빠르게 진행된다. 진해액량이 감소하면 극판이 공기중에 노출되어 그만큼 유효 극판면적이 작아지고 용량이 감소한다. 또한 노출부분의 극판은 부착한 산에 침식되어 변질되며 원래의 납으로 되돌아가지 못하게 된다. 그러므로 때때로 황산 비중과 액면을 감시하여 물보충을 해야 한다.

납축전지의 용기 측면에는 최저 액면과 최고 액면의 적정 범위를 쵸시하는 선이 그어져 있으며 전해액 면은 항상 이 선 사이에 있어야 한다. 최저 액면 이하가 되면 용량이 감소하는 것 외에 노출부분의 활물질이 변화하여 사용할 수 없게 된다.

최고 액면을 넘도록 물을 보충하면 전조의 높이를 넘어서 전해액끼리 연결되어 극판의 단자부분이 합선되어 과방전이나 사고의 원인이 된다. 물보충은 절대 적정량을 요한다. 물보충을 적절하게 진행하면 황산 농도가 적정값에서 벗어나는 일은 거의 없다.

알칼리 건전지중의 수은과 환경문제

수은에 의한 환경오염문제가 거론되던 중, 1980년 전반에 폐 건전지에 함유된 수은에 의한 환경오염의 문제가 사회문제로 대두되었다. 망간 건전지와 같이 수은은 알칼리 건전지에 있어서도 불가결의 물질로 음극의 아연에 첨가해 왔었다. 

특히 알칼리 건전지는 생산 수량의 신장이 높은 점도 있어 수은량이 많다는 점이 지적되었다. 그래서 이 중요한 수은의 저감을 적극적으로 추진하여 납, 인듐, 알루미늄을 미량 첨가한 아연 합금분말의 개발에 의해 1985년에는 종래의 수은함유량이 15,000ppm 에서 당초의 목표였던 3분의 1인 5,000ppm으로 줄이고, 다시 2년 후인 1987년에는 6분의 1인 2,500ppm 까지 삭감하였다. 수은 함유량 2,500ppm 전지의 실현으로 수은문제는 진정되어 가는 것으로 생각되었으나, 유럽을 중심으로 한층 더 엄격한 수은 함유량 1,000ppm 및 250ppm 이하라는 규제가 발표되었다. 이와 같은 움직임에 따라 수은량 저감의 노력을 계속하면서 궁극적으로는 수은이 들어 있다는 소비자의 불안감을 없애기 위해서도, 수은이 함유되지 않은 알카리 건전지 기술의 확립이 필요하게 되었다.

산업용 니켈카드뮴 축전지

산업용으로 사용되고 있는 니켈카드뮴 축전지는 통상 개방형(벤티드 타입이라고도 부름)이며, 극판의 구조에 따라서 포켓식과 소결식으로 구별된다. 원칙적으로는 방전특성과 경제적인 점에서 백업시간이 1시간 이상의 경우에는 포켓식이, 그 미만인 경우에는 소결식이 사용되고 있다.

개방형 니켈카드뮴 축전지의 용도는 주전원의 백업용 전원이다. 이 용도에는 예전부터 납축전지가 사용되어 왔다. 니켈카드뮴 축전지는 장수명이며 납축전지와 같은 셀페이션 현상이 없기 때문에 보수가 용이하고, 스페이스 효율이 좋은 장점이 있다. 그러나 코스트가 높기 때문에 납축전지와 경합하면서 나름의 용도를 개쳑해 왔다.

포켓식 니켈카드뮴 축전지

초기의 포켓식 니켈카드뮴 축전지는 원래 철도청의 차량용을 목표로 기술개발이 되어 왔다. 활물질을 넣는 포켓은, 일반적으로 천공(穿孔) 후프를 가공하여 사용하나, 마쓰시다는 당시 양산하고 있던 진공관의 전극용 라스(Lath)판을 전용(轉用)하였다.

이것은 라스 가공한 상자형 구조였기 때문에 활물질은 부릭으로 가압 성형하여 삽입하는 방식을 채용하였다. 라스가공이기 때문에 구멍이 크고, 또 마름모 꼴이어서 전해액의 확산이 좋고 이용율은 높았으나, 구멍에서 활물질이 탈락하였다. 그래서 니켈극에서는 수산화 니켈의 침전 생성 조건이나 도전제로 사용하는 흑연의 형상, 입도 혼합비등 카드뮴 극에서는 산화 카드뮴의 배소온도나 첨가제로 사용한 산화철의 입도등을 검토하여 최적 조건을 찾았다. 그 후 진공관의 양산이 끝나 라스판이 공급이 되지 않았기 때문에 일반의 천공 후프방식으로 변경하였다.

플러드(flood) 충전

플러드충전은 축전지가 발전기 등의 상용 전원으로부터 충전전류를 계속 받으면서 부하에도 전류를 계속 공급하는 방식이며 동작 자체는 트리클충전과 유사하지만 축전지가 대타가 아닌 오히려 주역으로서 활약하는 방식인 점이 다르다. 이러한 동작은 얕은 충방전이 반복되기 쉬우므로 트리클충전의 경우와 같이 니켈카드뮴 축전지를 사용하는 것은 좋지 않다.

플러드충전의 가까운 예로는 자동차 전원이 있으며, 솔라 배터리 시스템 등에서는 태양전지의 기전력이 항상 불안정하므로 플러드 방식의 축전지가 아니면 전원으로 사용할 수 없다. 상용 전원의 용량은 축전지의 충전전류를 포함한 전 부하에 대해 용량면이나 안전성에서 충번히 여유 있는 공급력을 가진 것이 아니면 안 된다. 그렇지 않으면 부하에 큰 전류가 흐를 경우 전원 전압이 저하되어 빈번히 전지에서 전류가 인출되므로 반출량이 저장량을 넘어버리게 되어 플러드 시스템이 제 기능을 발휘하지 못할 뿐만 아니라 과충전 때문에 전지의 수명을 현저하게 단축시키는 결과를 초래한다. 또한 상용 전원의 전압이 전지의 단자전압보다 저하되면 전지에서 전원 쪽으로 전류가 역류하는 일도 발생하므로 전류의 일방통행 회로를 구성해 둘 필요가 있다.

트리클 충전

이것은 사고로 인해 상용 전원 공급이 끊긴 경우에 대비하여 축전지에 공급이 중단되지 않도록 충전해 두는 충전기에 이용 되는 충전방식이다. 이것은 축전지가 과충전되지 않을 정도로 자기방전량을 약간 웃도는 전류로 상시 계속 충전하는 방식이다. 자기방전에 의한 용량의 손실분을 보상한다는 의미에서 보상충전이라고도 한다. 충전방법으로 항상 0.02C 이하의 미소전류를 연속적으로 축전지에 흐르게 하는 가장 간단한 방법부터 축전지 단자전압을 센서로 항상 감시하여 규정값보다 저하되면 큰 펄스전류를 흐르게 하여 신속하게 규정값까지 충전한 후 당초의 미소전류의 연속충전으로 자동 전환하는 등의 복잡한 것까지 여러 가지 방법이 있다.

어떤 방식이든지 상용 전원이 있는 동안에는 상용 전원에서 부하로 전류가 공급되므로 전지와 부하간은 분리되며(상용 전원과 전지간은 접속되어 미소전류로 충전된다), 상용 전원이 정전되면 자동적으로 축전지에 부하가 접속되는 방법을 쓴다.

그러므로 다이오드와 저항 등을 사용한 스위치 회로가 필요하며 축전지는 부하 상태에 알맞은 규격을 선택하고 충전기도 그 용도와 목적에 적합하도록 설계되어야 한다. 이 충전방식은 아주 가까이는 메모리 백업용 전원 등에, 크게는 비상문 개폐장치와 감시장치, 조명, 통신 등의 전원 보안 시스템으로 널리 이용되고 있다.

트리클 충전방식에 사용하는 축전지로는 납축전지가 알맞다. 보통 니켈카드뮴 축전지는 이러한 충방전형태에서 열화되기 쉽다. 보판에 탑재하는 메모리 백업과 같은 용도에서는 방법이 없다고 하더라도 보안시스템에는 꼭 밀폐형 납축전지를 권하고 싶다.

펄스충전

죠글(뒤흔듦) 충전이라고도 하며 직류 펄스로 단속적으로 충전하는 방법이다.

전지가 어느 정도 충전될 때까지는 비교적 온 시간(전지에 전류가 통하는 시간)을 길게, 오프 시간(충전을 일시 정지하는 시간)을 짧게 설정하고 충전이 진행됨에 따라 점차 온 시간을 짧게, 오프 시간을 길게 변화시켜 나간다. 온과 오프의 시간 설정은 고분해능(高分解能)의 센서가 전지의 단자전압과 전지의 온도변화를 보면서 자동적으로 행한다. 또한, 이 검출구조는 가스 발생을 극히 억제하면서 가능한 한 짧은 시간에 충전이 완료되도록 동작한다.

이 충전방식은 주로 니켈카드뮴 축전지 충전기의 급속충전방식으로 자주 이용되고 있다. 충전중의 가스 발생량은 충전전류에 관계되므로 이 충전기는 충전시간, 충전하는 전지의 종류, 규격에 따라 각각 설계할 필요가 있으며 범용성은 없다.

정전압충전

정전압충전이란 미리 충전기의 출력전압을 전지의 충전 완료시 단자전압과 거의 같도록 설정하여 충전 초기부터 종료까지 항상 일정한 전압으로 충전하는 방법이다. 전압 안정화 전원의 전압 설정을 전지의 단자전압과 일치시커서 이것으로 충전 하는 것과 같다.

충전 초기에는 충전기와 전지의 전압차가 크므로 전지는 공복상태에서 부지런히 자꾸 먹는다. 배가 불러옴에 따라 먹는 양이 줄어들며 충전완료시점에서는 충전기와 전지의 단자전압이 거의 동일해져서 자동적으로 전지는 식사를 마친다.

가장 능률적으로 단시간에 충전이 종료되고 과충전의 걱정이 없어 원리적으로는 정말 이상적인 충전법이지만, 실제로는 충전 초기의 과식에 주의하는 것, 다시 말하면 과대 전류를 제한하는 것이 필요하다. 이를 위해서 충전 초기에 충전전류를 제한하는 전류제한회로가 필수적이며, 이 회로 때문에 이상적인 정전압상태로 동작시키는 것이불가능하게된다.

전지의 충전 완료시 단자전압은 주위 환경의 온도변화와 전지 자체의 발열에 의해 크게 변화되지만 이것은 예측할 수 없으므로 정전압값을 미리 설정하기가 곤란하다. 충전기의 전압과 전지의 단자전압을 거의 동일하게 설정해 두면 머지않아 충전 완료시까지 극히 장시간을 필요로 하므로 미리 충전전압을 조금 더 높게 설정해 두는 것이 필요하다. 이 설정은 극히 임계적인 온도 보정을 시작으로 몇가지 문제점을 예측하여 자동 처리해야 하므로 충전기회로는 매우 복잡해진다.

그러므로 충전기는 충전하는 전지의 종류나 용량에 맞게 개별적으로 설계, 조정하지 않으면 안되며 범용성은 거의 없다.

정전류 충전

정전류충전이란 충전 초기부터 완료까지 항상 일정한 전류로 충전을 행하는 충전방법이다. 충전 초기에는 충전기와 전지의 전압차가 커서 대전류가 흐르며 충전이 진행됨에 따라 전류는 감소한다. 그러므로 충전기와 축전지 사이에 가변 직렬저항을 삽입해 충전 초기에는 저항값을 크게 하여 전류를 줄이고 충전 진행을 감시하면서 점차 이 직렬저항의 저항값을 줄이면 전지는 전체 충전시간을 통해 거의 일정한 전류로 충전된다.

이러한 동작을 자동적으로 행하는 것이 정전류회로이다. 즉, 정전류회로란 부하저항의 변화에 관계없이 항상 일정 전류를 부하에 흐르게 할 수 있는 회로이다. 정전류 충전기는 정전류 회로를 전원과 전지 사이에 삽입한 것으로서 이러한 전원을 정전류전원이라 한다. 정전류전원은 부하저항값이 높아지면 전압을 늘리고 낮아지면 전압을 감소시키는 전압 변동률이 매우 나쁜 전원으로 생각해도 좋으며 부하저항 여하에 상관없이 항상 일정 전류를 공급할 수 있다.

여기서 정전류충전이라는 것은 전지로 흐르는 전류가 전체 충전기간을 통해 항상 일정하다는 의미이며, 전지로 흐르는 충전전류의 값을 몇 C로 설정하는가는 전혀 별개의 문제이다. 따라서 정전류를 크게 설정하면 충전 완료까지 필요한 시간은 짧으며 작게 설정하면 길어진다.

충전이 빨리 완료된다는 점에서만 보면 충전전류는 클수록 좋지만, 연속적으로 큰 전류로 충전하면 충전효율이 저하되고, 도가 지나치면 전지의수명에도 영향을 미친다. 어느 정도의 연속전류가 적절할지는 전지의 종류에 따라서 다르므로 일률적으로 말할 수는 없지만, 정전류충전에서는 0.1C 또는 0.2C 정도가 적당한 전류이다. 0.1C 이면 가득 찰 때까지 10시간, 0.2C 로 5시간이란 계산이 나오지만, 손실이 있으므로 실제로는 0.1C 로 12~14시간, 0.2C 로 6시간 정도 걸린다.

바이폴로(Biopolar) 전지

액체전해질에서는 하나의 전지용기 내에 복수의 셀을 직렬로 접속하면 전해액에 의한 내부 단락이 일어나므로, 기준전압 이상의 전지를 작성한다는 것은 불가능하다. 그러나 SPE 전지의 경우에는 전해질이 고형화되어 있어, 자유로운 액체가 없으므로 이것이 가능해진다.

크레디트 카드 사이즈로서 40mAh 전지의 전극을 하나의 라미네이트 필름 용기 내에서 두개의 셀을 직렬로 접속한 7.2V 전지를 시험삼아 제작한 결과, 2배의 전압이 얻어지므로 안정된 사이클이 가능해진다.

2개의 직렬에 그치지 않고 몇 개라도 직렬접속이 가능하므로, 예를 들어 크레디트 카드 사이즈 전지를 6개 직렬로 한 20V-100mAh로 하는 경우, 개개의 전지를 제작해서 겹치는 경우 3.6mm + α의 두께가 되지만, 바이폴러 전지기술을 사용 하면 라미네이트 필름 용기가 하나이므로 2.6mm 로 제한할 수 있어, 체적 에너지 밀도는 150% 향상된다. 비용면에서도 용기의 절약과 공정감축으로 유리하게 된다.

바이폴러 전지를 완성하기 위해서는, 어떠한 환경조건에서도 유동화 한다든지 변형하여 파괴되지 않는 겔 SPE 의 사용이 절대조건으로, BEI의 가교 겔과 부직포 보강의 SPE가 최적이다.

각종 폴리머전지의 장단점

1)진성 SPE

2)겔SPE

3)도전성 고분자 양극

4)유황계 양극

High Rate 리튬 배터리의 장점

*최고의 품질: 최고 품질을 이루기 위해 high rate 리튬 1차 전지는 전극 표면 부위를 극대화하고 내부 저항이 적게 발생 하며 고 방전 성능을 갖는 혁신적인 나선형으로 감긴 고체 전극 구조로 제조된다.

*10년의 보존기간 : 최소 자가방전으로 10년간 저장 유지될 수 있다. TIG(Tungsten Inert Gas)와 레이저 용접을 포함한 선진 기술을 사용해 밀봉되어 극한의(extremely) 항부식성을 갖는다.

*가벼우나 매우 강력함, 500Wh/liter 이상으로 고 에너지 밀도를 포함함.

*극한 온도에서의 성능을 제외하고, -40℃ 에서 72℃까지 고성능, 방전율 성능을 유지함.

*No Voltage Delay : 완전한 탄소 구조로 passivation 층이 없다.

리튬 양극에 있는 passivating 필름 때문에 고체 탄소 배터리 내에 전압이 지연되는 것을 완전히 제거한다

*강제 방전 문제가 없다 : 특수한 구조물들은 불리한 조건하에서 너무 빠른 가열과 분출을 막는다.

*더 안정적임 : Li/MnO2 고체 탄소 구조는 완전히 방전 또는 충전 상태에 기압이 유지되지 않음으로써 다른 리튬 화학물보다 더 안전성을 갖고있다.

특수한 저압 분출구는 심한 과열 발생하는 경우 안전한 분출을 하게한다. 추가적인 안전성을 위해, 각 전지는 위험한 상황을 피하기 위해 회로 내 소극적 링크 내에 비작용 전지를 변형시키는 자가분출 진공장치를 갖는다. 반대로 경쟁품인 Li/SO2과 리튬thionyl 탄소 화학물들은 높은 내부 전지 압력, 실폐의 위험성 증가를 보인다.

*운송의 용이함 : high rate primary cell는 가장 널리 사용되는 항공,지상,해상 운송 지침에 따른다.

*환경 친화적 : 중독성 있는 화합물이나 카드뮴, 납, 머큐리 또는 은 같은 중금속이 없음.

---------------------------------------------------① 끝-----------------------------------------------------