이차전지; 여러가지 종류의 배터리

이차전지

이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치를 말합니다. 금속이 산화 환원하는 이온화 경향을 이용하여 산화 환원 전위를 발생시키는 원리입니다. 여러 번 충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 특징을 가지고 있기 때문에 충전식 전지라고도 하며, 일차전지보다 경제적이고 환경친화적이라고 합니다. 이차 전지는 사용하지 않아도 시간과 함께 축적한 에너지가 서서히 상실되어 자연방전 현상이 나타나기 때문에 장기적으로 사용하지 않았다면 사용 전에 충전한 후 사용하여야 합니다.

 

이차전지에 주로 사용되는 전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이 있습니다. 자동차나 항공기, 농업기계 등 각종 차량 외에 노트북, 디지털카메라, 스마트폰 등 다양한 기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 휴대기기의 경우엔 축전 용량이 제품 사양에 중요한 요소가 되는 경우가 많기 때문에 저장에너지를 고밀도화 시키기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

 

이차전지 종류

전극에 납을 사용하는 납 축전지는 양극에 이산화 납, 음극에 해면상의 납, 전해액으로 묽은 황산을 이용하여 이차 전지로 널리 사용되고 있습니다. 양극과 음극으로부터 황산이온이 이동함으로써 충전되며, 황산이온이 양극과 음극에 이동함으로써 방전이 되는 원리를 가지고 있습니다. 납 축전지는 다른 축전지에 비해 크기가 크고 무거우며, 묽은 황산을 사용하기 때문에 누설이나 파손 시에 위험이 있습니다. 또한, 과방전되면 백색 황산 연화 현상이 발생하게 되어 용량이 저하되는 특징이 있습니다.

 

니켈 카드뮴 축전지는 양극에 옥시수산화 니켈, 음극에 카드뮴, 전해액으로는 수산화칼륨 수용액을 사용한 알칼리성 축전지입니다. 주로 고출력 용도에 적합하며 무게에 비해 효율이 높고 수명이 길다는 특징이 있습니다. 하지만 자연방전이 크다는 특징을 가지고 있어 소비 전력이 작고 장기간 가동해야 하는 기기에는 적합하지 않다고 합니다. 주로 비행기의 시동을 거는 데 사용하거나 전기 자동차에 사용한다고 합니다.

 

니켈 수소 축전지는 니켈 카드뮴 축전지의 단점을 개선한 배터리로 단위부피당 에너지 밀도가 니켈 카드뮴 배터리의 두 배에 가까우며 고용량으로 만들 수 있다고 합니다. 과방전 혹은 과충전 시에도 성능이 유지된다는 장점이 있으며 자연방전 현상 또한 적어 휴대전화나 노트북, 핸디캠 등의 전자기기에 널리 사용되고 있으며 초창기 전기차나 하이브리드 자동차에도 사용됐습니다. 

 

리튬이온을 이용한 이차 전지는 양극에 리튬 복합 전이 금속 산화물을, 음극에는 탄소 재료를 사용하는데 흑연을 가장 많이 사용하며, 전해질에는 유기 용매 같은 비수 전해질을 이용합니다. 에너지 밀도가 높고 자연방전 현상이 적어 휴대용 전자기기에 많이 사용하고 있으며, 방산업이나 자동화시스템 그리고 항공산업 분야에서도 사용이 증가하고 있습니다. 양극, 음극, 전해질에는 다양한 물질들이 이용될 수 있는 특징을 가지고 있으며 폭발의 우려가 있어 주의해야 합니다. 각각의 구성 물질을 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압, 수명, 용량, 안전성 등이 크게 바뀔 수 있어 최근에는 나노기술을 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다고 합니다.