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충전해서 반영구적으로 사용하는 전지로, 친환경 부품으로 주목받으면서 성장세를 거듭하고 있습니다. 이는 충전물질로 무엇을 쓰느냐에 따라 니켈전지, 이온 전지, 리튬이온 전지, 폴리머 전지, 리튬폴리머 전지, 리튬 설파 전지 등으로 나뉘고 있습니다.

목차

1. 충전 및 방전
2. 수명 및 주기 안정성
3. 재충전 시간
4. 활성 구성요소
5. 유형
6. 응용

2차 전지는충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 전기화학 셀로 구성된 배터리입니다. 2차 전지는 배전 네트워크를 안정화하기 위해 연결된 버튼 셀에서 메가와트 시스템에 이르기까지 다양한 모양과 크기로 생산되며 납산(lead acid), 니켈, 카드뮴(NiCd), 니켈 수소(NiMH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등 여러 가지 전극 재료와 전해질의 조합이 사용됩니다.

2차 전지의 경우 일반적으로는 일회용 배터리보다 초기 비용이 많이 들지만 교체하기 전 여러 번 충전할 수 있음으로 총 소요 비용과 환경 영향이 훨씬 적은 것이 장점입니다. 일부 2차 전지 유형은 일회용 유형과 동일한 크기 및 전압으로 사용할 수 있으며 교환식으로 사용할 수 있습니다.

1.충전 및 방전

충전하는 동안 양극 물질은 산화되고 음극 물질은 환원된다.

이때 양극으로부터 음극으로 흘러 들어가는 전자는 외부 회로의 전류 흐름을 구성됩니다.

전해액은 리튬 이온 및 니켈 카드뮴 전지에서와 같이 전극 사이의 내부 이온 흐름을 위한 간단한 완충 역할을 하거나 납산 셀에서와 같이 전기 화학반응에 적극적으로 참여할 수 있습니다.

2차 전지를 충전하는 데 사용되는 에너지는 대개 AC 주전원 전기를 사용하는 배터리 충전기에서 발생하지만, 일부는 차량의 12V DC 전원 콘센트를 사용하게 되어 있다. 소스의 전압은 전류가 흐르도록 강제하기 위해 배터리의 전압보다 높아야 하지만 배터리가 손상될 수 있음으로 너무 높지는 않아야 한다.

충전기는 배터리를 충전하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸립니다. 전압 또는 온도 감지 기능이 없는 느린 충전기는 낮은 속도로 충전되며, 일반적으로 완충까지 14시간 이상 걸립니다.

급속 충전기는 일반적으로 모델에 따라 2~5시간 이내에 전지를 충전할 수 있으며, 가장 이른 시간은 15분 정도 소요됩니다.

고속 충전기로 셀을 완충할 때 과충전 또는 과열이 발생하기 전에 여러 방법을 통해 충전을 중지해야 합니다. 가장 빠른 충전기는 과열 방지를 위한 냉각 팬을 통합합니다.

급속 충전용 전지 팩에는 충전기가 팩을 보호하기 위해 사용하는 온도 센서가 포함될 수 있습니다.

충전 방식은 배터리에서의 전기화학적 특성에 따라 다릅니다.

예) 일부 배터리 유형은 정전압 소스에서 안전하게 충전할 수 있습니다.

다른 유형은 배터리가 완전히 충전된 전압에 도달할 때 테이퍼되는 조절된 전류 소스로 충전해야 합니다. 배터리를 잘못 충전할 경우 배터리가 손상될 수 있고, 극단적인 경우 배터리가 과열되어 화재가 발생하거나 폭발할 수 있습니다.

2. 수명 및 주기 안정성

배터리를 잘못 취급하지 않아도 반복적으로 사용하면 그 수명이 다한 것으로 간주할 때까지 충전 주기가 늘어남에 따라 용량이 손실됩니다.

다른 배터리 시스템은 용량 손실에 대한 각각 다른 메커니즘을 가지고 있습니다. 

예) 납산 배터리에서는 모든 충전-방전 사이클마다 모든 활성 물질이 플레이트로 복원되지 않는다.

결과적으로 배터리 용량이 감소할 만큼 충분한 재료가 손실됩니다. 리튬 이온 유형, 특히 심한 방전 조건에서, 충전 시 일부 반응성 리튬 금속이 형성될 수 있고 이는 다음 방전 주기에 더 이상 참여할 수 없게 됩니다. 밀봉된 전지는 특히 과충전 되거나 고온에서 작동하면 액체 전해질에서 습기를 잃을 수 있기에 충전-방전 주기 수명이 단축됩니다.

3.재충전 시간

재충전 시간은 2차 전지로 구동되는 제품 사용자에게 중요한 매개 변수입니다.

충전 전원 공급 장치가 배터리를 충전할 뿐만 아니라 장치를 작동시키는 데 충분한 전력을 제공하더라도 충전 시간 동안 장치가 외부 전원 공급 장치에 연결됩니다.

산업용으로 사용되는 전기 자동차의 경우 해제 시프트(off-shifts) 시 충전이 허용될 수 있습니다.

고속도로 전기 자동차의 경우, 합리적인 시간에 충전하는 데 급속 충전이 필요합니다.

2차 전지는 임의의 높은 속도로 충전할 수 없습니다. 배터리의 내부 저항으로 인해 열이 발생하고 온도가 지나치게 높아지면 배터리가 손상되거나 파괴될 수 있기 때문입니다.

일부 유형의 경우, 최대 충전 속도는 활성 물질이 액체 전해질을 통해 확산 할 수 있는 속도에 의해 제한됩니다.

충전 속도가 높으면 배터리에 과도한 가스가 생성되거나 부작용으로 인해 배터리 용량이 영구적으로 저하될 수 있습니다. 즉, 많은 예외와 세부 사항을 제외하고는 1시간 이내에 배터리의 전체 용량을 복원하는 것이 빠른 충전으로 간주합니다.

배터리 충전 시스템에는 느린 재충전을 위해 설계된 충전기보다 빠른 충전을 위한 더 복잡한 제어 회로 및 충전 전략이 포함됩니다.

4. 활성 구성 요소

2차 전지의 활성 성분은 양극 및 음극 물질을 구성하는 화학 물질과 전해질입니다. 양극 및 음극은 상이한 물질로 이루어지며, 양극은 환원 전위를 나타내고 음극은 산화 전위를 갖고 있습니다(충전 과정에서). 이러한 포텐셜의 합은 표준 셀 포텐셜 또는 전압입니다.

일차 전지에서 양극(positive electrode) 및 음극(negative electrode)은 각각 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)로 알려져 있습니다. 이 협약은 가끔 충전식 시스템(특히 리튬 이온 셀을 갖는)에 적용되기로 하지만 이는 혼란을 야기할 수 있습니다.

2차 전지에서 양극은 방전 시 캐소드이며 충전 시 애노드입니다. 2차 전지에서의 음극은 방전 시 애노드이며 충전 시 캐소드입니다.

※ 많은 전기화학 및 배터리 번역서에서는 캐소드를 음극 그리고 애노드를 양극으로 표시하고 있지만 이는 독자들의 혼란을 더욱 야기하는 거로 판단되어 여기에서는 한국어로 번역을 하지 않았고, positive electrode를 양극으로 그리고 negative electrode를 음극으로만 번역을 하였습니다. 캐소드와 애노드의 정확한 정의를 반드시 참고하고 숙지하기를 바랍니다.

5. 유형

프랑스 물리학자인 플란테(Gaston Planté)가 1859년에 발명한 아연산 축전지는 가장 오래된 2차 전지입니다.

매우 낮은 에너지 대 중량 비율과 낮은 에너지 대 부피 비율에도 불구하고, 높은 서지 전류를 공급하는 능력은 셀이 상대적으로 큰 전력 대 중량 비율을 갖는다는 것을 의미합니다. 이러한 특징은 저비용과 함께 자동차 시동 모터에 필요한 높은 전류를 제공하기 위해 자동차에 사용하기에 매우 적합합니다.

니켈-카드뮴 배터리(NiCd)는 1899년 스웨덴의 융너(Waldemar Jungner)에 의해 발명되었으며, 그 전극으로 수산화 니켈과 금속 카드뮴을 사용합니다. 카드뮴은 독성 원소이며 2004년 유럽 연합에서 대부분의 용도로서의 사용이 금지되었습니다.

니켈-카드뮴 배터리는 니켈 수소 배터리(nickel-metal hydride, NiMH)로 거의 대체되었습니다.

니켈 수소 배터리는 1989년에 출시되었습니다. 이제는 일반 소비자 및 산업 유형이며, 축전지에는 카드뮴 대신 음극용 수소 흡수 합금이 사용됩니다.

1991년에 출시된 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 가장 좋고, 사용하지 않을 때 매우 느린 전하 손실 때문에 대부분의 소비자 전자 제품에서 선택되었습니다. 그러나 배터리에서 발생하는 열로 인해 예기치 않게 점화될 위험이 있다는 단점을 가지고 있습니다.  하지만 이러한 사고는 드물고 적절한 설계, 설치, 절차 및 안전장치가 도입되면 위험을 최소화할 수 있습니다. 

리튬 이온 폴리머 배터리(LiPo)는 무게가 가볍고 약간 더 높은 비용으로 리튬 이온보다 약간 높은 에너지 밀도를 제공하며 어떤 형태로든 만들 수 있습니다. 하지만 시장에서 리튬 이온을 대체하지는 못했습니다.

 LiPo 배터리는 원격 조종 자동차, 보트 및 비행기에 동력을 공급하는 데 주로 사용됩니다. LiPo 팩은 특정 R/C 차량과 헬리콥터 또는 무인 항공기에 전원을 공급하기 위해 소비자 시장에서 다양한 구성으로 최대 44.4V까지 쉽게 이용할 수 있습니다.  일부 테스트 보고서는 배터리가 지침에 따라 사용되지 않을 때 화재 위험을 경고하고 있습니다. 

6. 응용

2차 전지를 사용하는 장치에는 자동차 시동기, 전동 휠체어, 골프 카트, 전기 자전거 및 전동 지게차와 같은 경자동차, 공구가 포함된다. 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 경우 배터리의 비용, 무게 및 크기를 줄이고 수명을 늘리기 위한 기술이 연구되고 있다. 10)

전지 충전 발전소는 피크 기간 사용량이 적은 시간에 전기 에너지를 저장하는 부하 평준화 및 밤에 사용하기 위해 태양광 발전 정렬 판에서 생성된 전력을 저장하는 것과 같은 재생 에너지 사용에 2차 전지를 사용한다.

소형 2차 전지는 휴대용 전자 장치, 전동 공구, 가전제품 등에 전원을 공급할 수 있다. 중부하용 전지는 스쿠터에서부터 기관차 및 선박에 이르기까지 전기 차량에 전력을 공급한다. 이들은 분산된 전기 생성 및 독립형 전력 시스템에 사용된다.

참고 문헌

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Rechargeable_battery
2. Katerina E. Aifantis et al, High Energy Density Lithium Batteries: Materials, Engineering, Applications Wiley-VCH, 2010 ISBN 3-527-32407-0page 66
3. Fowler, Suzanne (21 September 2016). "Samsung's Recall - The Problem with Lithium Ion Batteries". New York Times. New York. Archived from the original on 5 September 2016. Retrieved 15 March 2016.
4. Schweber, Bill (4 August 2015). "Lithium Batteries: The Pros and Cons". GlobalSpec. GlobalSpec. Archived from the original on 16 March 2017. Retrieved 15 March 2017.
5. all-battery.com: Lithium Polymer Batteries Archived 7 February 2015 at the Wayback Machine
6. "Tattu R-Line 4S 1300mah 95~190C Lipo Pack". Genstattu.com. Archived from the original on 30 August 2016. Retrieved 6 September 2016.
7. 'Lithium Polymer Charging/Discharging & Safety Information'. Maxamps. MaxAmps. 2017. Archived from the original on 16 March 2017. Retrieved 15 March 2017. Keep a dry fire extinguisher nearby or a large bucket of dry sand, which is a cheap and effective extinguisher.
8. 'Batteries - LiPo'. TrakPower. Hobbico, Inc. Archived from the original on 16 March 2017. Retrieved 15 March 2017. Voltages, cell counts and capacities just right for your kind of racing... Discharge rates from 50C up to 100C... Balanced for longer life and achieving the maximum 4.2V/cell
9. Dunn, Terry (5 March 2015). 'Battery Guide: The Basics of Lithium-Polymer Batteries'. Tested. Whalerock Industries. Archived from the original on 16 March 2017. Retrieved 15 March 2017. I’ve not yet heard of a LiPo that burst into flames during storage. All of the fire incidents that I’m aware of occurred during charge or discharge of the battery. Of those cases, the majority of problems happened during charge. Of those cases, the fault usually rested with either the charger or the person who was operating the charger…but not always.
10. David Linden, Thomas B. Reddy (ed). Handbook Of Batteries 3rd Edition. McGraw-Hill, New York, 2002  ISBN 0-07-135978-8  chapter 22.