전지 BATTERY란..
 작성자 :  아피스
작성일 :
 2007-06-27 오전 10:31:37
조회수 :
 8963
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  * 전지의 개념(Concept)

전지(battery)는 내부 활물질의 화학에너지(chemical energy)를 화학적 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 기기이다. "전지"라는 용어는 두 개 이상의 전기화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만 보통 단위전지(single cell)에도 사용한다. 전지는 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져 나갈 수 있도록 특별한 내부구조로 이루어져 있으며 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기에너지의 원천이 되어 우리에게 필요한 전기를 제공한다.


* 전지의 구성요소(Component)

전지는 전해질과 전해질에 담겨져 있는 양극 과 음극이라는 활 물질 그리고 분리막으로 구성된다

-양극 : 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극
-음극 : 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극
-전해질: 활물질의 환원 반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질이동이 일어나는 매개체
-분리막: 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지키 위한 격리판


* 전지의 원리(Principle)

전지의 음극은 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이며, 양극은 전자를 받아 (양이온과 함께) 자신은 환원되는 물질이다. 전지가 외부 load와 연결되어 방전 반응을 진행할 때 두 전극은 각각 전기화학적으로 반응하여 전기에너지로 변환한다. 이때 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 load를 경유하여 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원반응을 일으키며, 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 음이온과 양이온의 물질이동에 의해 전해질 내에서 완성된다. 전지를 사용함에 따라 전지의 전압은 계속 낮아지고 결국 외부 load를 작동시킬수 없을 때까지 반응을 한다


* 전지의 분류




* 이차 전지에 대한 이해

전지를 간단히 분류하면 1회 사용 타입의 일차전지, 충전해 반복해 사용할 수 있는 이차 전지, 미래 전지로 기대되는 연료 전지로 나누어집니다. 대표적인 이차전지로는 NiCd, NiMH, Li-Ion, Li Polymer전지 등이 있습니다. 각각의 구성 및 특성을 표로 살펴보게 습니다.




* 전지의 역사(History)

정보시대가 개막되는 데 결정적인 역할을 하고 있는 것이 바로 전지다. 장난감에서부터 첨단제품에 이르기 까지 모든 휴대형 전자제품에는 전지가 필요하다. 하지만 전지는 사용시간에 한계가 있다.

휴대폰이나 노트북PC, 휴대형 카세트등 휴대형 제품을 사용하다가 전지가 떨어져 낭패를 보거나 사용을 중지하고 가방속에 집어넣어야만 했던 경험이 누구에게나 한번쯤은 있을 것이다. 그렇다고 전지를 바리바리 싸가지 고 다니면서 쓸 수도 없는 일이다.

휴대하기 편하도록 가볍고 부피도 작으면서 오래 사용할 수 있는 전지를 개발하기 위한 노력이 끊임없이 이어지고 있는 것은 바로 이런 이유에서다 전지의 역사는 상당히 길다.

역사상으로는 1800년 개발된 볼타전지가 최초의 전지인 것으로 알려지고 있다. 그러나 2천여년 전의 한 유적지에서 항아리에 톱밥 및 황산 등을 층층이 넣은 만든 항아리전지가 발견되고 있다.

인류가 전지를 사용하기 시작한 것은 최소한 2천여년 전의 일인 것이다. 요즈음 사용하는 전지 가운데 가장 오래된 전지는 양극활물질로 이산화망간 (MnO₂)을 사용하고 음극재료로 아연(Zn)을 쓰고 전해액으로 NH₄Cl과 ZnCl₂를 혼합한 중성염수용액을 사용한 망간전지다.

이 전지는 1868년 개발돼 1880년에 상용화된 것으로 이후 외장재질 및 봉구방법이나 양, 음극활물질의 개선을 통해 현재까지 사용되고 있는데 소비전력이 적은 용도에서 가격대비 사용시간 특성이우수해 현재도 1차전지 생산량의 60% 가량을 차지하고 있을 정도로 널리 사용되고 있다.

- 1789 개구리 다리로 부 터 전지 현상 발견 (Galbani(Italy))
- 1799 구리-아연 전지 발명 (Cu/H2SO4/Zn,Volta(Italy))
- 1860 연축전지 발명(PbO2/H2SO4/Pb,Plante'(France))
- 1867 망간 건전지의 원형 발명(MnO2/NH4Cl.ZnCl2/Zn,Lechlanche France))
- 1880 Faure',paste식 극판에 의한 연축전지 제조법 특허, 연축전지 산업생산 개시
- 1888 망간 건전지 발명 (Gassener(Germany),헤레센스(Denmark))
- 1899 니켈-카드뮴 전지 발명 (NiOOH/KOH/Cd,Jungner(Sweden))
- 1899 니켈-아연 전지 발명 (NiOOH/KOH/Zn)
- 1900 니켈-철 전지 발명 (NiOOH/KOH/Fe,Edison(USA))
- 1909 알카리 망간전지 발명(MnO2/KOH/Zn)
- 1917 공기 아연전지 발명(O2 in Air/KOH/Zn)
- 1942 수은전지 발명(HgO/KOH/Zn)
- 1947 밀폐형 니켈-카드뮴 전지 발명
- 1949 알카리 망간전지실용화
- 1962 밀폐형 수소전지발명
- 1970 리튬 1차전지실용화
- 1970 미국 GM Delco 칼슘 MF 연축전지 개발
- 1973 이산화망간-리튬 1차전지 실용화(MnO2/LiClO4/Li)
- 1981 리튬 이온2차전지발명
- 1990 리튬 이온2차전지실용화,생산개시(일본 SONY사)
- 1990 밀폐형 니켈-수소전지실용화(NiOOH/KOH/MH)
- 1990 미국 켈리포니아주 대기정화법(Clean Air Act)통과세계각국 전기자동차용 전지 본격적인 개발 착수.
- 1995 수은전지 생산중지.
- 2002 LIPB, ALB, Smart Battery, Li-Polymer, 초박형 리튬이온전지(파워셀) 개발


*메모리효과(Memory Effect)

니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하며 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름을 나타낸다.

여기서 shallow charge-discharge(만충전후 조금만 사용하고 다시충전하는 것)를 몇번만 반복하게 되면 충방전이 반복된 그 위치에 고용체가 생성이 되게 되어 새 전지라도 용량이 뚝 떨어지게 되는 것입니다.

비가역성인 고용체는 생성이 되면 다시 되돌아 가지 못하고 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이처럼 전지가 마치 사용할 수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 효과를 메모리 효과(Memory Effect) 라고 한다. 따라서, Ni을 포함하고 있는 전지(Ni-cd, Ni-MH)는 만충전하였다가 완전히 바닥날 때까지 사용하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법이다. (단 전지가 허용하는 방전의 범위까지만 ) 그러나 리튬이온의 경우 메모리 효과 현상이 없으므로 사용자가 임의대로 주변환경에 따라 수시로 충전하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않는다. 오히려 Ni게 전지와는 정반대로 자기 수명을 유지하는 효과가 있다고 할 수 있다.

이것이 리튬 전지가 비싸지만 Ni-전지보가 수요가 늘어나고 사용자가 찾는 이유이기도 합니다.


* 전지의 수명(Life cycle)

사용후 충전해 다시쓰는 2차 전지 (납축전지 , 니카드 전지, 니켈수소전지, 리튬 이온 전지 등)라 하여도 영구적으로 사용할 수 있는 것이 아니고 어느정도 충 방전 횟수를 사용하게 되면, 전지의 성능이 더 이상 나오지 않아 사용할 수 없게 되며, 이것을 전지의 수명 (또는 충방전 사이클 수명)이라고 합니다.

이론적으로는 충방전이 가역적으로 진행되면 영구적으로 사용할 수 있지만 실제로는 완전 가역반응이 될 수 없고 따라서 리튬 이온전지도 다른 모든 전지와 마찬가지로 영구적일 수 없습니다.

그러나 다른 전지와 비교하여, 상대적으로 긴 수명을 가지고 있도록 설계되어 있다고 하지만, 그 수명 역시 한정되어 있으며, 현재까지 알려진 바의 최대 수명은 1200회입니다. (일본 소니의 경우 1200회의 충방전 후에도 원래 용량의80%이상을 유지한다고 함.)리튬이온전지의 수명은 제작업체의 기술력에 따라서 다소 달라지며, 그 요인은

첫째, 활물질 성문에 따라 달라 진다고 한다

Type1 활물질 : 3칸에서 2칸까지는 서서히 2칸에서 전원 Off까지 급격히

주로 소용량 배터리 경우 - 500회정도 -오래 쓸 수 없음.

Type2 활물질 : 3칸에서 2칸까지는 빨리 2칸에서 Off까지는 천천히

주료 대용량 배터리 - 보통 1000회

알카라인 전지와 망간전지 같은 1차 전지는 일정 된 부하를 걸어 놓고 전류 방전 실험을 하였을 경우 2차 전지와 달리 감량되는 그래프의 모양이 매우 완만하게 오래 지속 되는 경향을 볼 수가 있습니다.

이때 이 그래프를 적분하면 전체 용량을 측정할 수가 있는데 대략적인 용량은 알칼리망간 배터리를 기준으로 "AA"는2400mAh~2500mAh정도이며,"AAA"의 경우는 1200mAh~1300mAh정도임을 측정할 수가 있습니다.

좀더 구체적으로 표현하면 "AA"의 경우 10Ω의 부하를 걸어놓고 전압이 처음1.62V에서 0.9V로 강압 될 때까지 거의 20시간이 소요 되며, "AAA의 경우에는 20Ω의 부하를 걸어놓고 1.62V에서 0.9V로 강압 될 때까지 측정을 하였을 경우 18시간 정도가 소요됩니다. (로켓트배터리 기준 Tel 062)570-2673)

보통 배터리의 용량을 표기할 때 1234mAh,750mAh,0000mAh등과 같이 mAh단위로 표현을 합니다. "이것은 단위 시간당 최대 몇mAh를 사용 할 수 있으며, 또 다른 임의의 전류 값을 사용할 경우 몇 시간을 사용할 수 있다" 라는 것을 의미하는 것입니다.

예를 들면 100mAh의 경우 시간당 10mA의 전류 소모가 있을 경우 10시간을 사용할 수 있으며, 1mA의 전류 소모일 경우에는 100시간을 사용 할 수 있음을 의미합니다.

또한 2500mAh의 알카라인 전지를 시간당 1mA가 필요한 장난감에 적용 하였을 경우 2500시간을 사용할 수 있으며,5mA가 필요한 플래시나 카세트에 사용하였을 경우에는 500시간을 이용할 수 있습니다.

커다란 물통에 들어있는 물을, 일정한 굵기의 호수를 이용하여 물을 뽑아낼 경우 몇 시간이 걸리는가? 하는 것 역시 같은 맥락의 생각이며, 배터리 충전기 역시 이와 같은 개념의 전류 배분으로 급속 충전과 완속충전 시점을 배분하여 일정한 전류를 공급하였을 경우 정해진 전채 잔류량이 채워 질 때까지를 측정하여 충전 시간이 정해 지는 것입니다.

* 망간전지(MnO2)/알카리망간(Alkaline)전지에 대하여

망간전지(MnO2)란?

망간전지는 지금으로부터 약2000년 전의 페르시안시대 (B.C 1 ~ A.D 1세기)의 유물로 이라크의 바그다드에서 1932년 독일의 고고학자 Wilhelm Konig에 의해서 발견되었다.

이 유물의 형상은 점토향아리(h14 X Φ8cm)안에 구리로 된 원통형 (ℓ10 X Φ1cm)을 고정시킨 다음 저부와 항아리 開口部를 아스팔트로 封口(SEALING)시킨 구조로 이루어진 것으로 되어 있다.

이때 사용된 전해액은 건조되어 알 수가 없지만 2차대전 후 미국의 학자가 식초 및 포도주를 이용하여 위 와 같은 동일한 구조에서 전류를 추출해내는 데 성공한 바 있다.

이 전지는 호이얏트 랍뿌아 또는 바그다드 전지(Baghdad Battery)로 불리워지고 있다.

교과서에 의한 실용전지의 시작은 이탈리아의 PAVIA대학 교수인 Allessandro Volta (1792)가 GALVANI전지(1786) 즉 "서로 다른 금속을 개구리 다리 근육에 접촉 시켰을 때에 전기를 발생한다."는 동물전기 발상으로부터 얻어진 볼타전지(1800)라고 한다.

이것을 계기로 1800년대에는 VOLTA전지를 이용하여 전류의 자기효과의 발견, 전해전기량과 화학작용등 여러 중용한 전기 화확에 대한 기초적인 발명이 계속해서 이뤄졌다.

1868년 프랑스의 Engineer인 Le Clan Ché(르클랑셰)에 의해 발명되었으며 1886년 독일의 학자 Gassner에 의해 전지를 기울여도 내부의 액이 흐르지 않는 건전지(Dry cell)을 발명하여 상품화에 성공하였다.

알카리망간(Alkaline)전지란?

알카리 망간 전지에 대한 최초의 언급은 1882년 독일의 G.Leuchs에 의하여 특허출원으로 시작되었으며 그 뒤 약 20년뒤인 1903년에 미국의 S. Yai가 (MnO2+ Graphite)의 혼합체를 양극, 전해액으로 KOH용액, 음극으로는 Zn을 사용하는 습전지(Wet Cell)를 특허출원하였다.
그 뒤 E.Achenbach, A.Heil 등이 유사한 전지를 개발하기도 하였으나 상업적으로 중요한 의미를 갖지는 못하였다.

비로소 1950년대 중반에 W.S.Herbert의 선구자적인 업적에 의하여 최초의 상업적인 알칼리 망간전지가 특허출원되었고, 1952년'Crown Cell'이 처음으로 등장하였다.

알칼리 망간 전지는 1960 ~ 1970년대를 '근대기' 라고 하는데 이 기간에 대단한 기술혁신이 이루어져 많은 연구논문과 특허들이 출원되었다.

위의 Crown Cell의 구조상 '높은 전류 공급에 문제점이 있었으므로 구조면에서 현재의 것과 흡사한 원통형전지를 개발하여 Crown Cell과는 완전히 다른 구조의 변화를 가져왔다.

이와 같이 알칼리 망간 건전지의 출발은 단추형(Button Type)인 Crown Cell에서 출발하여 고용량의 원통형 (Cylinder Type)이 시장의 주류를 이루고 있으며, 크기 면에서는 사용 기기의 소형화, 박형화에 따라 전지의 크기도 점점 소형화되어가고 있다


* 니켈카드늄(Ni/Cd)축전지/니켈수소(Ni/Mh)전지에 대하여

니켈카드늄(Ni/Cd)축전지

니켈카드뮴 축전지(니카드전지)는 1899년에 스웨덴의 과학자 W 융거에 의해 발명된 융거전지를 기초로 해서 양극에 니켈산화물, 음극에 카드뮴을 이용한 것이다.

1901년에는 튜브식, 포케트식 극판을 이용한 것이 소규모로 스웨덴에서 제조되기 시작하여 1946년에 이르러서 미국에서 제조되기 시작했다. 더욱이 제2차 세계대전 중에 독일에서 소결식 극판을 사용한 것이 발명되어 이것에 의해 축전지의 고율방전 특성, 고온 특성, 저온 특성의 향상 및 장수명화가 가능하게 되었고 그 수명도 길어지게 되었다.

니켈-카드뮴 축전지의 밀폐화에 있어서는 1938년 A.E. Lange 등이 과충전중에 양극에서 발생한 산소를 카드뮴극으로 유도하여서 산소를 소비시킬수 있는 방법을 발명하였으며 1948년 G. Neuman이 산소 소비의 구체적인 안을 제시함으로써 그때까지 개방형(Vented Type)으로 사용되던 Ni-Cd전지를 밀폐된 전지(Sealed Type)로 만들 수가 있게 되었다. 이에 따라 니켈-카드뮴 축전지는 건전지의 분야에까지 광범위하게 사용되어 급속한 발전을 이루게 되었다.

니켈수소(Ni/Mh)전지

니켈수소전지는 1993년부터 시장에 출현한 차세대 첨단 2차전지로서 평균전압이 1.2V로 니카드전지와 동일해 상호 호환성이 있으며, 용량도 표준형 니카드전지에 비하여 2 ~ 2.5배 고용량화가 가능하다.

또한 1-1.5시간 내에 급속 충전이 가능하고 전지 내부 저항이 낮아 방전시 전압 변동이 적다. 이러한 특성 들로 인해 니켈수소전지는 기존의 니카드전지를 점진적으로 대체하고 있어 향후 2차 전지시장의 주력 품이 될 전망이다.

니켈수소전지의 핵심인 전극판으로 사용되는 소소 흡장합금은 당초 1968년 연료전지의 전극으로 개발됐다. 그러나 경제성 및 내구성 문제로 상용화되지 못하다 80년대 들어 전지의 밀폐기술이 개발되고 산화압력 문제가 해결되면서 2차 전지의 전극 판으로 실용화되고 있다. 특히 이 전지는 기체 압력과 온도 조절에 따라 평균 압력보다 높거나 주변 온도보다 낮아지면 수소를 흡수하고 반대로 저압.고온이 될 경우는 수소를 방출하는 기능을 갖고 있는 수소합금기술을 활용, 에너지밀도 향상을 실현했다.


리튬이온(Li-ion) 전지란?

1912년 G.N. Lewis의 리튬전지 연구를 시작으로 1970년대 초에 최초의 비 충전 리튬 전지가 상용화 되었다.

1980년대에도 개발은 계속되었지만 안정성의 문제를 해결하지 못하였다. 리튬은 금속 중에서 가장 가볍고 우월한 전기화학적 위치를 고수하고 있으며 대용량의 에너지를 제공한다.

재충전 전지의 전극을 리튬 금속으로 사용하면 높은 전압 과 풍부한 용량을 제공 받을 수 있으며 결과적으로 대단한 에너지 밀집 체이다.

1980년대 이후 수많은 연구를 통해 리튬의 결정체들로부터 무차별적인 열의 상승에 주의해야 한다는 결손 요인을 발견하게 되었고 1991년 휴대폰에 있던 전지가 폭 발하면서 사람의 얼굴에 튀어 화상을 입힌 후에 대량의 재충전 리튬 전지가 일본에 보내졌다가 다시 리콜된 일이 있었다. 그 후, 리튬 금속 고유의 불안정성 때문에 Li-Ion Cobalt Dioxide(LiCoO2)같은 화학물질에서 나온 리튬을 쓰는 비금속 리튬 전지로 연구

의 형태가 전환되었다. 비금속 리튬은 리튬 금속보다 에너지 밀도면에서는 약간 낮으나 안전하였고 충, 방전시 확실한 예방조치를 취할 수 있었다. Li-Ion의 에너지 밀도는 적어도 Ni-Cd의 2배 이상이고 부하 전류량도 상당히 높다. 사실, Li-Ion은 방전 특성면에서 Ni-Cd와 상당히 유사하게 작용하며 쉽게 방전 되지 않는 특성을 갖는다.


리튬이온전지의 구조

요즘 리튬 이온 전지에 쓰는 양극은 전이금속산화물(transition metal oxide)이고, 음극은 흑연(graphite)계 탄소(carbon)입니다. 기존의 전지들과 다른 점은 양극과 음극에서 일어나는 반응이 인터칼레이션 (intercalation)이란 것입니다. 사전을 찾아보면, intercalate를 윤달이라고 해석해 놓았습니다. 즉 꽉 짜여진 곳에 뭔가가 끼여들어가는 것이죠.

결정성을 가지는 재료들은 대부분 원자나 이온들 사이에 많은 공간들이 있습니다. 마치 구슬을 컵에 가득 담으면, 구슬들 사이에 공간이 생기는 것 처럼 되는 것이죠. 인터칼레이션이란 이 공간으로 이온들이 들어가는 것입니다. 이렇게 이온들이 결정 내로 들어가면, 결정의 전자구조도 바뀌게 되어 외부도선을 따라 전자가 들어갑니다.

이 반대과정이 디인터칼레이션(deintercalation) 인데, 이온이 결정에서 빠져 나오고, 전자는 외부도선을 따라 빠져나옵니다. 이런과정이 연속적으로 일어 나면, 외부도선을 따라 일어나는 전자의 흐름을 이용하여 전기 에너지를 만들 수 있습니다.



Charge: 충전 시에는 양극의 Li 이온이 빠져나와 음극인 탄소층으로 이동하여 저장 됩니다.

Discharge: 방전 시에는 탄소층에 저장된 Li 이온이 다시 양극 층으로 되돌아 갑니다.

리튬이온 전지를 충전하는 방법

리튬 이온 전지는 정전류/정전압(CC/CV) 방식의 전용 충전기를 이용합니다. 따라서, 충전전류 일정량을 계속 가해주면서 단자전압을 계속 검사합니다. 4.2V의 전압으로 볼트가 상승하면 이때부터 정전압 회로가 구동되어 4.2V로 유지합니다.

이렇게 하여 보통 1~2시간 안에 완전하게 충전할 수 있으며 충전시 적정 온도는 0~40oC입니다.

2차전지로 가능한 충전 횟수는 300 ~ 500회 이며 매일 1번 충,방전 할 경우 1년 ~ 1.5년의 배터리 수명을 갖게 됩니다.


리튬폴리머(Li-Polymer) 전지란?

최근들어 "포스트 리튬이온 2차전지"라는 기치를 내세우면서 시장 진출을 노리는 새로운 전지인 리튬폴리머 2차전지가 등장해 관심을 끌고 있다.

리튬폴리머 2차전지는 한마디로 현재 시장을 장악하고 있는 리튬 이온 2차전지인 단점을 보안한 차세대 2차전지로 정의할 수 있다.

리튬폴리머 2차전지는 양극과 음극 사이에 폴리머 전해질을 끼워넣고 그 외부를 집전체, 외장재 순으로 씌운 구조로 되어 있다. 폴리머 전해질은 모노마,유기용제, 전해질염 등 3종류의 물질을 혼합해 사용하며 양극에는 2P"O₂를 음극에는 탄소재료를 사용한다.

이 리튬폴리머 2차전지의 장점은 우선 제작할 수 있는 두께에서 리툼이온 2차전지를 크게 앞선 다는 점을 들 수 있다.

이 전지는 고체나 겔 상태이 폴리머를 사용하기 때문에 두께를 1㎜이하로 줄일 수 있다. 기존 리튬이온의 두께가 6㎜였던 점에 비추어 보면 6배나 박형화를 실현했다고 볼 수 있다.

이같은 특성은 전지의 크기와 디자인을 더욱 다양하게 할 수 있어 이를 사용하는 제품의 디자인 에도 혁신적인 변화를 줄 수 있음은 물론이다.

이 전지는 또 안전성이 높은 장점도 가지고 있다.

액체전해질을 사용하는 리튬이온 2차전지는 용액이 유출될 경우 발화로 인한 폭발 가능성이 높다. 따라서 출시 초기에 폭발사고를 겪고 보호 회로를 부착하고 있는 리튬전지(1차전지)와 마찬가지로 폭발을 방지할 수 있는 보호회로를 부착하는 것이 불가피 하다.

이와 달리 점성이 높은 겔 상태의 용액을 사용하는 리튬 폴리머 2차전지는 전지에 구멍이 나도 용액이 흘러나오지 않아 리튬이온 2차전지와 같은 발화 위험이 거의 없다.

대형 제품을 만들지 않을 경우 보호회로조차 필요 없으며 대형 제품의 경우에도 리튬이온 2차전지 보다 간단한 보호회로만 있으면 된다.


리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지의 장점과 단점


리튬폴리머 전지는 기존 리튬이온전지의 양극, 전해액, 음극 중 하나에 폴리머 성분을 이용한 것을 말하며 아래의 4종류가 있습니다.



현재 양산되는 폴리머전지는 B.겔(GEL) 폴리머 전해질 전지를 말하며 두 종류로 나뉩니다.

1.가교 폴리머형 (좀더 진정한 의미의 폴리머전지. 고온에서도 안정된 겔 구조 유지가능)

2.비가교 폴리머형 (폴리머 사이의 결합이 물리적인 얽힘이거나 약한 수소 결합으로 겔 구조가 붕괴되기 쉬움)

가교 폴리머형는 곤약에, 비가교형 폴리머는 한천에 비유하곤 합니다.

곤약은 끓은 물에 넣어도 아무런 반응도 하지 않고 겔 구조를 유지하지만, 한천은 상온에서는 견고한 겔이 지만 80도씨 이상에서는 녹아버립니다.

비가교형 폴리머가 고온에 쉽게 부풀거나 하는 것이 이런 특성 때문입니다.

리튬폴리머 전지의 공통적인 특징은 얇은 외장재에 있습니다. 실제로 폴리머가 들어가서 내부물질의 무게는 기존의 리튬이온 전지보다 무겁지만 외장재가 월등히 가벼워서 전체적으로 더 가볍습니다. 그러나 실제 용량은 리튬이온 보다 훨씬 떨어집니다.

(리튬이온 전지는 부피당 에너지 밀도가 300~350mAh/L, 폴리머전지는 250~300mAh/L 입니다. 같은 외형크기-부피일때 리튬이온이 훨씬 오래쓸 수 있습니다.)

그 이유는 폴리머 전지에 첨가된 폴리머 전해질의 이온전도도가 액체 전해질보다 훨씬 낮고 반응성이 떨어지기 때문입니다. 그래서 폴리머전지는 온도가 낮아지면 반응성이 더 나빠져서 전지로서의 기능을 발휘하지 못합니다.

반대로 고온에서는 리튬이온 전지에 쓰인 액체전해질의 이온전도도가 폴리머 전해질 보다 높기 때문에 반응속도가 빨라져 폴리머 전지가 조금 더 안전하다고 하는 것입니다.

특히 고온에서는 (90도씨 이상) 어떤 전지든 내부단락현상이 일어나는데 폴리머전지는 외장재가 약해 보다 일찍 옆구리가 터져 피식하고 새는식으로 폭발이 일어나지만 리튬이온 전지는 외장재가 두꺼워 보다 크게 폭발할 위험이 있습니다.

그러나 모든 출하되는 리튬이온 전지는 고온(90도, 130도 150도)에서의 각종 안전성 Test, 기계적인 충격에 대한 강도 Test 등이 충분히 검증된 것이므로 안전성에 크게 걱정하실 것은 없습니다.

(이런 안전성관련 test들은 보호회로 없는 상태에서 통과해야 출하되며, 보호회로를 부착하는 이유는 사용자의 실수 등을 대비히기 위한 것입니다. 내부단락이 일어나기 전에 모든 반응을 stop시키며 전지를 보호합니다.)

외장재가 폴리머전지와 같은 얇은 필름 형태이지만 내부물질은 100% 리튬이온 전지와 같은 ABL-type의 전지가 있습니다.

(겉모습 때문에 폴리머로 속으시는 분이 많지요) 이 전지는 폴리머의 안전성에 대한 장점은 전혀 없는 전지 입니다.

다만 외장재가 가볍기 때문에 전체 중량이 폴리머 보다도 조금 더 가볍습니다.

그러나 반응성이 큰 액체 전해질을 사용한 반면 기존 리튬이온 전지와는 달리 얇은 필름형 외장재를 사용하여 고온에서(자주 상온에서도)의 내부압력을 버티지 못하고 공처럼 부풀다가 leak가 나는 경우가 많으며 채용기기에는 매우 치명적입니다.

따라서 고온에서의 반응성을 낮추기 위해 끓는 점이 높은 전해질을 사용하기도 하는데 그런 경우 저온에서의 성능이 현격히 떨어지게 됩니다.

정리하면 리튬이온 전지의 장점은

1. 고용량/ 고에너지밀도

2. 좋은 저온 성능

3. 외장재의 견고함-기계적 충격 등에 강한 것 이고,

단점은

1. 폴리머전지보다 무겁다.

2. 금속 외장재의 특성상 일반적으로 4~5mm이하의 박형 얇은 전지와

광면적 전지를 제조하기가 어렵다는 것입니다. (그렇지만 파워 셀에서는 2~3mm 대의 전지를 만들고 있습니다. 또한 PC046067은 광면적 전지 중 거의 유일한 금속 외장재를 사용한 각형 전지 입니다.)

리튬폴리머 전지는의 장점은

1. 고온에서의 안전성.

2. 얇은 외장재에 따른 무게의 경량화가 있으며,

단점으로는

1. 얇은 외장재 - 기계적 충격에 약합니다.

2.저온에서 성능이 잘 안나옵니다.

3. 용량/에너지 밀도가 매우 낮다는 것입니다.

ALB-type 전지는 고용량/고에너지 밀도가 장점이지만 단점으로는 안전성이 현격히 떨어집니다. (기계적인 강도에도 약하며 내부반응에 따른 내부압력에도...)
저온에서의 반응성도 일반 리튬이온 전지보다 떨어집니다.


보호회로의 기능(PCM:Protection Circuit Module)

리튬 이온 전지는 최적의 성능을 유지하기 위해서는 과 충전 또는 과 방전으로 부터 보호 되어야 한다.

셀 당 충전전압이 4.5V를 넘을 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되거나, 안전 밸브에 압력을 가함으로써 셀 간의 압력을 높이는 원인이 된다.

따라서 셀에서 전해질이 누출하게 된다. 즉, 폭발의 위험성을 유발 하는 원인이 된다.

반면 배터리를 과 방전 시킬 경우 음극이 파손되어 배터리 의 성능을 저하시킨다.

리튬 이온 2차전지의 위험성을 예방하기 위하여 결과적으로 다음과 같은 기능을 가진 보호회로(PCM)가 필요하다.

☞ 과충전 방지 : 단셀의 전압이 4.35V±0.05V(약 25℃)이상이 될 경우 과충전 방지
☞ 과충전 방지 후 리셋 : 배터리 팩 단셀의 전압이 4.0V±0.15V 이거나 이하일 경우


과충전 방지회로 작동

☞ 과방전 방지 : 단셀의 전압이 2.3V±0.15V이거나 이하일 경우 과방전 보호 회로 작동
☞ 과방전 방지 후 리셋 : 배터리 단셀의 전압이 2.3V±0.15V이거나 이상일 경우

과방전 보호회로 작동


☞ 과방전 전류 방지 : 3C㎃ 또는 그 이상의 전류에서 과방전 방지
☞ 과방전 전류 방지 리셋 : 부하 단락이 되면서 자동적으로 과방전 방지 회로가 자동적으로 작동

그러나 리튬이온 전지는 이온상태의 액체 전해질을 사용하는 한 항시 폭발의 위험을 안고 있는 등 안전성 이 떨어지는 것이 큰 단점으로 지적되고 있어 이를 보완하고 에너지 밀도를 더욱 높이기 위한 업체들의 연구개발이 끊임없이 이어지고 있다.

Li-Ion전지의 특성상 충 방전시의 최대치는 제한되어야 하며, Cell 온도가 모니터 되어야 한다.

그러므로 Li-Ion 전지팩은 각셀의 절정 전압을 제한하고 방전시 Cell 의 전압이 너무 낮게 떨어지는 것을 보호하는 PCM을 필요로 한다.

PCM의 예방 조치로 인하여 과 충전으로부터 생 길 수 있는 Li-금속의 석출 가능성이 배제되었다.

폭발의 위험성으로부터 보호 리튬 이온전지는 안전성 확보가 어렵다는 이유로 상품화를 포기한 미국 및 유럽 전지업체들과 달리 이를 보완하는 보호회로를 개발 상품화를 실현한 일본 전지 제조 업체들에 의해 2차 전지 시장에서 빠른 속도로 성장해 가고 있다.


미래의 전지

고체전해질전지(1)

인공장기를 움직이는 전지. 영구적으로 장기에 조립되어 사용하는 전지로서 인공신장 의 전원으로 이용된 다.

고체전해질전지(2)

전지 재료에 수분을 사용하지 않기 때문에 온도 변화가 급격한 우주에서도 사용할 수 있는 전지임.


바이오전지

사람 몸속에 조립되어 혈액중의 포도당을 이용하여 전기를 일으키는 바이오 전지는 의료분야에서 가장 기대되고 있는 전지임.

해수전지

바닷물을 이용하여 전기를 일으키는 깨끗하며 경제적인 전지. 해양조사선이나 수중 스쿠터에 사용되는 전지

종이전지

종이처럼 얇고 원하는 형태로 짤라 사용할 수 있는 전지


온도전지

온도 변화를 이용하여 전기를 일으키며 이 때문에 일년내내 충전이 가능해서 년중 사용이 가능한 전지임. 환경에도 우수한 전지임


초마이크로전지

초소형이기 때문에 어떤 작은 물건에도 사용될 수 있으며 가벼워서 가지고 다니기에도 편리함. 상당히 기대되고 있는 전지임


프라스틱전지

회중전등처럼 프라스틱으로 만들어진 기기 본체 그 자체가 전지임. 전지 케이스가 불필요하며 어떤 형태로도 변형하여 만들 수가 있음.


25년전지

25년 장기간에 걸쳐 언제라도 사용이 가능한 전지. 병원의 비상용 전원으로 기대되고 있음.

의복전지

의복 그 자체가 태양전지로 되어 있어 옷을 입고 외출하면 돌아올 때는 충전이 되는 효율적인 전지임

먼지전지

먼지속에 들어있는 당분을 박테리아와 같은 미생물이 분해할 때 나오는 수소가스를 공기중의 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 친환경성 전지임

전지 사용법


전기기구를 사용하고 난 뒤에는 반드시 전지스위치를 끈다.
전지를 장착할 때는 방향을 똑바로 하여 역접속이 되지 않도록 주의한다.
전지를 쇼트시키지 않는다.
종류가 다른 전지는 같이 사용하지 않는다.
전지를 교체할 때는 전부 한꺼번에 한다.
전지를 불속에 넣어서는 안된다.
니카드전지와 같은 충전식 2차전지는 전용충전기를 이용하여 충전한다.
전지 표면의 비닐을 벗기거나 흠집을 내어서는 안된다.
전지액이 눈에 들어가면 바로 물로 씻어내고 의사의 치료를 받는다
어린이의 손이 닿는 곳에 전지를 두지 않도록 한다.
사용이 끝난 전지는 메이커 지시에 따라 여러가지 주의를 하면서 버린다.

자가방전(Self-discharge)이란?

전지는 내부에 화학물질을 다량 함유하고 있기 때문에 오랫동안 사용하지 않고 방치해 두면 전지의 성능이 저하되는 경우가 있습니다. 이러한 현상을 자가방전(self-discharge) 이라고 합니다.

자가 방전에 의해 과방전되어 전지의 성능저하와 수명단축을 가져오게 될 수도 있습니다. 기존의 휴대 기기에 가장 많이 사용되는 리튬 이온 전지는 Ni/Cd나 NiMH, 납축전지과 같은 저가의 전지에 비해 자기 방전율이 매우 낮은 편입니다.

예를들면, NiMH는 15%/월인데 반해 리튬이온전지의 경우 (+.-)전극을 구성하는 활물질에 따라 차이가 나지만 약 3~5%/월로서 매우 우수한 장기방치특성을 지니고 있습니다. 따라서 오래 사용하지 않고 방치해 둔다면 위에 언급된 전지들 중 리튬이온 전지가 가장 영향을 적게 받을 것으로 판단할 수 있습니다.

그리고 장기간 사용하지않고 방치해야만 한다면 방전상태에서 보다는 충전상태에서 보관을 하는 것이 좋습니다.그래야 몇달이 지나도 과방전되어 전지에 치명적인 손상을 주는 일이 일어날 확률이 낮아지기 때문 입니다.


에너지 밀도 산출 방법

리튬 이온 전지는 같은 용량의 니카드 혹은 니켈수소 전지에 비해 무게가 절반에 지나지 않습니다. 또한 부피도 니카드 전지에 비해 40~50%, 니켈수소 전지에 비해서도 20~30% 작습니다. 구체적으로 살펴보면 같은 체적에서 니카드의 1.75배, 같은 무게에서는 2배이상 에너지 밀도가 높습니다.

에너지밀도의 산출방법은 다음과 같습니다.

Wh = V(전압) x I(전류) x T(시간)

여기서 I(전류) x T(시간)는 전지의 용량을 나타내는 Ah의 계산식 이기도 합니다. 따라서

Wh=Ah(용량) x V(전압) 의 식이 산출 됩니다.

체적당 에너지 밀도는 전지 체적으로 나눠준 값을 말합니다.

예를 들어, 임의의 제품 T043456의 에너지 밀도 계산식을 살펴보도록 하겠습니다.

먼저 T043456의 스펙이 전압 3.7V, 용량 900mAh, 4.8x34.0x56.0(TxWxL;mm)이라고 가정하면,

(Wh/L)= {mAh x V/전지체적(두께x가로x세로)}x1000

{900x3.7/(4.8x34.0x56.0)}x1000=364 T043456의 에너지밀도는 364(Wh/L)이 됩니다.
 
 
 
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