니켈-카드뮴 전지
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1. 개요
니켈-카드뮴 전지는 1899년 발데마르 융거에 의해 발명된 충전식 전지이다. 납축전지보다 튼튼하고, 저온 환경에서도 작동하며, 과방전 후에도 회복 충전이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 니켈-수소 전지보다 용량이 적고, 카드뮴을 사용하며, 메모리 효과가 나타나는 단점이 있다. 극판 형식과 형태에 따라 종류가 나뉘며, 화학 반응은 양극에서 수산화 니켈(III) 산화물이 환원되고, 음극에서 카드뮴이 산화되는 과정을 거친다. 20세기 후반까지 가정용 전자 제품에 널리 사용되었으나, 카드뮴의 환경 문제로 인해 EU 등에서 소비자 판매가 제한되었다. 니켈-수소 전지, 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 비교되며, 높은 방전율이 필요한 분야에서 유용하게 사용된다.
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니켈-카드뮴 전지 | |
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기본 정보 | |
![]() | |
에너지 대 중량 | 40–60 W·h/kg |
에너지 대 부피 | 50–150 W·h/L |
전력 대 중량 | 150 W/kg |
충전 대 방전 효율 | 70–90% |
자가 방전율 | 10%/월 |
충전 사이클 | 2,000 사이클 |
공칭 전압 | 1.2 V |
2. 역사
1899년 스웨덴의 발데마르 융거가 최초의 니켈-카드뮴 전지를 발명했다.[3] 당시 유일한 경쟁자는 납축전지였는데, 납축전지는 물리적, 화학적으로 덜 튼튼했다. 융거는 카드뮴 대신 철을 다양한 양으로 대체하는 실험을 했지만, 철을 사용한 방식은 만족스럽지 못했다. 토머스 에디슨은 1902년에 니켈-카드뮴 전지에 대한 특허를 획득했다.[3] 1906년 융거는 스웨덴 오스카르스함 근처에 침수형 Ni-Cd 전지 공장을 설립했다.
니켈-카드뮴 전지는 크기에 따라 최대 방전율이 다르다. 일반적인 AA 크기 셀은 약 1.8 암페어, D 크기 배터리는 최대 3.5 암페어까지 방전이 가능하다. 모형 비행기나 보트 제작자들은 주 모터를 구동하기 위해 특수 제작된 Ni-Cd 배터리에서 최대 100 암페어 정도의 큰 전류를 사용하기도 한다. 이러한 특성 덕분에 니켈-카드뮴 전지는 내연 기관 모터와 비교할 수 있을 정도로 무게 대비 출력이 높지만, 지속 시간은 짧다. 최근에는 리튬 폴리머 (LiPo) 및 리튬 인산철 (LiFe) 배터리가 더 높은 에너지 밀도를 제공하여 니켈-카드뮴 전지를 대체하고 있다.
1932년 활성 물질을 다공성 니켈 도금 전극 내부에 증착하는 기술이 개발되었고, 15년 후에는 밀폐형 니켈-카드뮴 전지에 대한 연구가 시작되었다.
1946년 미국에서 니켈-카드뮴 전지 생산이 시작되었다. 이 시점까지 배터리는 니켈 도금 강철 포켓에 니켈과 카드뮴 활성 물질을 넣어 만드는 "포켓형"이었다. 20세기 중반 무렵 소결판 Ni-Cd 배터리가 점점 더 인기를 얻었다. 소결판은 니켈 분말을 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 고압으로 융합하여 만들며, 부피의 약 80%가 다공성이다. 양극 및 음극판은 니켈판을 각각 니켈 및 카드뮴 활성 물질에 담가 생산한다. 소결판은 포켓형보다 얇아 부피당 표면적이 더 크고 전류가 더 높으며, 일반적으로 내부 저항이 낮다.
2000년대 이후 모든 소비자용 Ni-Cd 배터리는 젤리 롤 구성을 사용한다.
배터리 제조 기술 발전으로 20세기 후반에 걸쳐 배터리 생산 비용이 저렴해졌다. 배터리 구동 장치의 인기가 높아졌고, 2000년 기준으로 약 15억 개의 니켈-카드뮴 전지가 매년 생산되었다.[6] 1990년대 중반까지 니켈-카드뮴 전지는 가정용 전자 제품에서 충전식 배터리 시장 점유율의 압도적인 다수를 차지했다.
EU에서는 2006년 배터리 지침에 따라 휴대용 장치용 니켈-카드뮴 전지의 소비자 판매가 제한되었다.
3. 특징
니켈-카드뮴 전지의 공칭 전압은 1.2V로, 알칼리 및 아연-탄소 1차 전지의 1.5V보다 낮아 모든 응용 분야에서 대체용으로 적합하지는 않다. 그러나 1차 알칼리 전지의 1.5V는 초기 전압이고, 니켈-카드뮴 전지는 방전 시 단자 전압이 거의 변하지 않는다는 특징이 있다. 많은 전자 장치가 0.90~1.0V까지 방전될 수 있는 1차 전지로 작동하도록 설계되었기 때문에, 니켈-카드뮴 전지의 1.2V는 작동에 충분하다. 다만, 거의 일정한 전압은 배터리 충전량이 부족할 때 감지하기 어렵다는 단점으로 작용하기도 한다.
9V 배터리를 대체하는 니켈-카드뮴 배터리는 일반적으로 6개의 셀을 사용하여 7.2V의 단자 전압을 가진다. 바르타(Varta)와 같은 일부 제조업체는 더 중요한 응용 분야를 위해 7개의 셀로 8.4V 배터리를 만들기도 했다.
니켈-카드뮴 전지는 수은 전지와 유사하게 사용 초기부터 방전 종료 직전까지 전압과 전류가 안정적으로 방전되다가 방전 종료 직전에 급격히 전압이 저하되는 특성을 보인다. 이러한 특성 때문에 1차 전지 사용을 전제로 한 기기에서는 전지 잔량 표시가 정상적으로 작동하지 않는 경우가 많다. 1980년대 후반에는 전자 제어를 통해 니켈-카드뮴 전지 사용 기기에서도 잔량 표시가 가능해졌다.
최근 수요 및 제조 업체의 감소로 인해 니켈 수소 충전지보다 가격이 높아지는 역전 현상이 있었지만, 가드닝용 태양광 충전식 가든 라이트나 가정용 태양광 방범등의 보급으로 수요 감소가 진정되었다.
3. 1. 장점
니켈-카드뮴 전지는 다음과 같은 장점을 가진다.[1]
이러한 장점들 덕분에 라디오 컨트롤과 같은 호비 분야나 전동 공구용 축전지로 널리 사용되고 있다.[1]
3. 2. 단점
니켈-카드뮴 전지는 다음과 같은 단점들을 지닌다.[5]
이러한 단점들 때문에 니켈 수소 충전지나 리튬 이온 전지로 대체되는 추세이지만, 오랜 역사와 취급 노하우, 튼튼함, 순간적인 힘, 생산 코스트 등의 장점 덕분에 라디오 컨트롤 등 호비 분야, 전동 공구용 축전지로는 여전히 널리 사용되고 있다.
4. 종류
극판 형식에 따른 분류는 다음과 같다.
- 포켓식 알칼리 축전지
- 소결 방식 알칼리 축전지: 특히 극판을 얇게 만들 수 있기 때문에 단시간에 큰 전류를 얻을 수 있다.
4. 1. 극판 형식에 따른 분류
극판 형식에 따른 분류는 다음과 같다.- 포켓식 알칼리 축전지
- 소결 방식 알칼리 축전지: 특히 극판을 얇게 만들 수 있기 때문에 단시간에 큰 전류를 얻을 수 있다.
4. 2. 형태에 따른 분류
니켈-카드뮴 전지는 크게 환기형과 밀폐형으로 나뉜다.환기형 (Ventilated Cell)


환기형 Ni-Cd 전지는 '습식 셀' 또는 '침수형 셀'이라고도 불리며, 대용량 및 고방전율이 필요한 곳에 사용된다. 일반적인 밀폐형 Ni-Cd 전지와 달리, 과충전 또는 급속 방전 시 발생하는 산소 및 수소 가스를 배출하는 통풍구(또는 낮은 압력 방출 밸브)를 가지고 있다. 압력 방출 밸브가 있어 압력 용기가 아니므로 더 안전하고, 무게가 가벼우며, 구조가 간단하고 경제적이다. 또한 과도한 과충전, 방전, 역충전에도 일반적으로 손상되지 않는다.
주로 항공, 철도 및 대중교통, 통신 백업 전원, 백업 터빈 엔진 시동 등에 사용된다. 환기형 Ni-Cd 배터리를 사용하면 다른 유형의 배터리에 비해 크기, 무게 및 유지보수 요구 사항을 줄일 수 있다. 수명이 길고(최대 20년 이상) 극한 온도(-40~70°C)에서 작동 가능하다는 장점이 있다.
강철 배터리 상자 안에는 원하는 전압(셀당 공칭 1.2V)을 얻기 위해 직렬로 연결된 여러 셀이 들어 있다. 셀은 주로 가볍고 내구성이 뛰어난 폴리아미드(나일론)로 만들어지며, 각 전극 내부에는 여러 개의 니켈-카드뮴 판이 용접되어 있다. 실리콘 고무로 만들어진 분리막은 절연체 및 전극 사이의 가스 차단막 역할을 한다. 셀은 30% 수용액의 수산화 칼륨(KOH) 전해액으로 채워져 있다. 전해액의 비중은 배터리의 충전 상태를 나타내지 않고, 주로 물의 증발에 따라 변한다. 셀 상단에는 과도한 전해액과 압력 방출 통풍구가 있는 공간이 있으며, 대형 니켈 도금 구리 스터드와 두꺼운 상호 연결 링크는 배터리의 최소 등가 직렬 저항을 보장한다.
가스 배출은 배터리가 높은 속도로 방전되거나 재충전되고 있음을 의미하며, 정기적인 유지보수를 통해 손실된 전해액을 교체해야 한다. 유지보수 기간은 충전 사이클 및 배터리 유형에 따라 몇 달에서 1년까지 다양하다.
환기형 셀은 충전 종료 시 전압이 급격히 상승하므로 간단한 충전기 회로를 사용할 수 있다. 일반적으로 모든 셀이 최소 1.55V에 도달할 때까지 1CA 속도로 정전류 충전하고, 이후 0.1CA 속도로 모든 셀이 1.55V에 도달할 때까지 충전한다. 충전은 0.1CA 속도로 4시간 이상 균등화 또는 보충 충전으로 완료된다. 과충전의 목적은 전극에 모인 가스(음극: 수소, 양극: 산소)를 최대한 배출하고, 일부 가스가 재결합하여 물을 형성하여 전해액 수위를 최고 수준으로 올리는 것이다. 과충전 또는 보충 충전 중에는 셀 전압이 1.6V를 초과한 후 천천히 떨어지며, 어떤 셀도 1.71V(건전지)를 초과하거나 1.55V(가스 장벽 파손) 미만으로 떨어져서는 안 된다.
부동 배터리 전기 시스템이 있는 항공기 설치에서는 조절기 전압을 정전위 충전(일반적으로 14V 또는 28V)으로 배터리를 충전하도록 설정한다. 전압이 너무 높으면 전해액 손실이 급격하게 발생하며, 충전 조절기 고장 시 전해액이 끓어 넘치는 과충전이 발생할 수 있다.
밀폐형 (Sealed Cell)

밀폐형 Ni-Cd 전지는 개별적으로 사용되거나, 2개 이상의 전지가 포함된 배터리 팩으로 조립된다. 소형 전지는 휴대용 전자 제품 및 장난감(태양광 정원등 등)에 사용되며, 1차 전지와 동일한 크기로 제조되는 경우가 많다. 다만, 1차 전지로 대체할 경우 낮은 단자 전압과 작은 암페어 아워 용량으로 인해 성능이 저하될 수 있다. 소형 버튼 셀은 사진 장비, 휴대용 램프(손전등), 컴퓨터 메모리 대기, 장난감 등에 사용된다.
특수 Ni-Cd 전지는 무선 및 무선 전화기, 비상 조명 등에 사용된다. 비교적 낮은 내부 저항으로 인해 높은 돌입 전류를 공급할 수 있어 무선 전동 모형(비행기, 보트, 자동차), 무선 전동 공구, 카메라 플래시 장치 등에 적합하다.
하지만, 밀폐형(휴대용) 니켈-카드뮴 전지는 고성능 리튬 이온 전지로 점차 대체되었고, 2006년 이후로는 2006/66/EC EU 배터리 지침에 따라 대부분 EU 시장에 출시가 금지되었다.
5. 화학 반응
방전 시 니켈-카드뮴 전지 내에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같다.
전체 반응식은 다음과 같다.[1]
Cd + 2NiOOH + 2H₂O → Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂
재충전 시에는 반응이 반대 방향으로 진행된다. 알칼리 전해질(일반적으로 KOH)은 이 반응에서 소모되지 않는다.[1]
6. 응용 분야
알칼리 전지와 동일한 크기(AAA부터 D까지)로 제공되며, 9볼트 배터리에 해당하는 여러 개의 다중 셀 크기도 있어 대부분의 응용 분야에서 알칼리 전지와 상호 교환이 가능하다. 니켈-카드뮴 축전지의 출력 특성은 모터 등 고출력 용도에 적합하다.[2]
1980년대 후반, 비디오 카메라, 청소기, 헤드폰 스테레오 등의 기기에서 전자 제어를 통해 니켈-카드뮴 전지의 잔량 표시가 가능해졌다.[3]
카드뮴의 유해성, 적은 용량, 메모리 효과 등으로 인해 니켈 수소 충전지나 리튬 이온 전지로 대체되었지만, 긴 역사와 풍부한 취급 노하우, 튼튼함(과방전에 강함), 강력한 순간 힘, 생산 코스트 등의 장점 덕분에 라디오 컨트롤 등 호비 분야, 전동 공구용 축전지로는 여전히 널리 사용되고 있다.[4]
최근에는 가드닝용 태양광 충전식 가든 라이트나 가정용 태양광 방범등의 보급으로 수요 감소세가 진정되었다.[5]
7. 환경 영향 및 규제
카드뮴은 독성 중금속이므로 니켈-카드뮴 전지 폐기 시 특별한 주의가 필요하다. 카드뮴은 이타이이타이병을 유발하고 환경 오염을 일으키는 유해 물질이다.[13]
미국에서는 배터리 구매 가격에 재활용 비용이 포함되어 있다.
EU에서는 "배터리 지침"(2006/66/EC)에 따라 의료용, 경보 시스템, 비상 조명, 휴대용 전동 공구를 제외한 소비자용 니켈-카드뮴 전지 판매를 금지했다. 휴대용 전동 공구용 니켈-카드뮴 전지는 2016년부터 금지되었다.[13] 사용된 산업용 니켈-카드뮴 전지는 생산자가 수거하여 재활용해야 한다.
대한민국에서는 유해화학물질 관리법에 따라 카드뮴 및 그 화합물의 취급이 제한된다.
8. 국내 제조 및 판매 회사
- 파나소닉
- 구 마쓰시타 전기 산업 - 파나니카 전지/파나소닉 니켈-카드뮴 전지
- 구 산요 전기 - 카도니카 전지(Cadnica) - 국내에서 옛날부터 제조, 판매해 왔다. 충전식 손전등 "카도니카 라이트" 등 히트 상품도 많이 만들어냈다. 마부치 모터, 타미야, 도쿄 마루이 등에 모형용 전지로도 공급했다. 2018년 현재도 파나소닉 브랜드로 카도니카를 제조, 판매하고 있다.
- GS 유아사 - 주로 산업용 니켈-카드뮴 전지, 단추형 니켈-카드뮴 전지를 제조.
- 후루카와 전지 - 주로 방재 기기용 니켈-카드뮴 전지를 제조[14]
- 신코베 전기 - 주로 히타치 하이타니카 브랜드로 전개.
9. 다른 전지와의 비교
니켈-수소(NiMH) 배터리와 리튬 이온 배터리가 상용화되고 가격이 저렴해지면서, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리의 입지가 좁아졌다. 특히 에너지 밀도가 중요한 경우, Ni-Cd 배터리는 니켈-수소 및 리튬 이온 배터리에 비해 불리하다. 그러나 Ni-Cd 배터리는 손상이나 용량 감소 없이 높은 방전율을 견딜 수 있어, 이러한 성능이 필요한 응용 분야에서는 여전히 유용하다.
다른 충전식 배터리와 비교했을 때 Ni-Cd 배터리는 다음과 같은 장점이 있다.
- 다른 배터리보다 손상에 강하고, 장기간 심방전을 견딜 수 있다. 실제로 장기간 보관 시에는 완전히 방전된 상태로 보관하는 것이 일반적이다. 이는 최소 전압 이하로 방전되면 영구 손상되는 리튬 이온 배터리와 대조적이다.
- 거친 환경에서도 잘 작동하여 휴대용 도구에 적합하다.
- 납축전지보다 에너지 밀도가 높아 더 작고 가볍다.
- 소비자 응용 분야에서 알카라인 전지와 경쟁한다. Ni-Cd 셀은 알카라인 셀보다 용량이 적고 비싸지만, 알카라인 전지의 비가역적인 화학 반응과 달리 재사용 가능하여 총 수명이 길다. 충전식 알카라인 전지나 일회용 알카라인 전지 충전기가 시도되었지만 널리 사용되지는 않았다.
- Ni-Cd 배터리의 단자 전압은 방전 시 탄소-아연 전지보다 더 천천히 감소한다. 알카라인 배터리는 충전량이 감소함에 따라 전압이 크게 감소하므로, 대부분의 소비자 응용 분야에서는 Ni-Cd 셀의 낮은 전압에도 큰 성능 저하 없이 사용할 수 있다.
- Ni-Cd 배터리의 용량은 높은 방전 전류의 영향을 크게 받지 않는다. 50C와 같은 높은 방전율에서도 거의 정격 용량을 제공한다.
- 최대 연속 전류 소모는 일반적으로 약 15C로, NiMH 배터리(최대 5C)보다 높다.
하지만 Ni-Cd 배터리는 카드뮴을 사용한다는 단점이 있다. 카드뮴은 환경 위험 물질이며, 모든 고등 생명체에 매우 유독하다. 또한 니켈과 카드뮴의 높은 가격으로 인해 납축전지보다 비싸다. 또 다른 단점은 배터리가 음의 온도 계수를 나타낸다는 것이다. 즉, 셀 온도가 상승하면 내부 저항이 감소한다. 이는 납축전지에 사용되는 단순한 충전 시스템에서 열 폭주를 일으킬 수 있다.
수은 전지와 마찬가지로, Ni-Cd 전지는 사용 초기부터 방전 종료 직전까지 안정적인 전압과 전류를 유지하다가 방전 종료 직전에 급격히 전압이 떨어진다. 이러한 특성 때문에 1차 전지 사용을 전제로 한 기기에서는 전지 잔량 표시가 제대로 작동하지 않는 경우가 많다.
이타이이타이병을 유발하는 유해 물질인 카드뮴이 포함되어 있어 폐기 시 환경에 악영향을 준다는 점, 용량이 적다는 점, 메모리 효과가 뚜렷하여 관리가 번거롭다는 점 등으로 인해 니켈 수소 충전지나 리튬 이온 전지로 대체되는 추세이다. 하지만 오랜 역사와 풍부한 취급 노하우, 튼튼함(과방전에 강함), 순간적인 힘, 생산 코스트 등의 장점으로 인해 라디오 컨트롤 등의 취미 분야나 전동 공구용 축전지로는 여전히 널리 사용되고 있다.
최근 수요 및 제조업체 감소로 인해 니켈 수소 충전지보다 가격이 높아지는 역전 현상이 있었지만, 가드닝용 태양광 충전식 가든 라이트나 가정용 태양광 방범등 보급으로 수요 감소세가 진정되었다.
Ni-Cd 전지는 내부 저항이 작아 대전류 방전이 가능하고, 과방전 후에도 회복 충전(충·방전을 반복)을 통해 용량을 회복할 수 있어 거친 취급에도 잘 견디며, 저온 환경에서도 전압 강하가 적다(0 ℃ - 20 ℃ 범위에서 사용 가능)는 특징이 있다.
9. 1. 니켈-수소 전지 (Ni-MH)
니켈-수소(NiMH) 배터리는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리의 경쟁자이다. NiMH 배터리는 Ni-Cd 배터리보다 용량이 크고 독성이 적으며, 현재는 가격 경쟁력도 갖추고 있다. 그러나 Ni-Cd 배터리는 자연 방전률이 낮은 장점이 있다. (예: Ni-Cd 배터리는 한 달에 20% 자연 방전되는 반면, 일반 NiMH 배터리는 동일 조건에서 한 달에 30% 자연 방전된다.)하지만 저자연 방전(LSD) NiMH 배터리는 Ni-Cd 배터리나 일반 NiMH 배터리보다 훨씬 낮은 자연 방전율을 보인다. 따라서 텔레비전 리모컨과 같이 배터리 소모 전류가 자연 방전율보다 낮은 기기에서는 LSD NiMH 배터리보다 Ni-Cd 배터리가 선호되기도 한다. 두 유형 모두 완전 충전 상태에서 자연 방전율이 가장 높고, 충전량이 낮아질수록 감소한다. 비슷한 크기의 Ni-Cd 배터리는 내부 저항이 약간 낮아 최대 방전율이 더 높다. 이는 전동 공구와 같은 기기에서 중요한 장점이 될 수 있다.
9. 2. 리튬 이온 전지 (Li-ion)
리튬 이온 전지는 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd)에 비해 에너지 밀도가 매우 높고, 자연 방전율이 낮다는 장점이 있다. 하지만 가격이 비싸고, 과충전이나 과방전에 취약하며, 저온에서 성능이 저하되는 단점이 있다.9. 3. 납축전지
납축전지와 비교했을 때, 니켈-카드뮴 전지는 에너지 밀도가 훨씬 더 높다. 니켈-카드뮴 전지는 비슷한 납축전지보다 크기가 작고 가볍다. 크기와 무게가 중요한 경우(예: 항공기)에는 니켈-카드뮴 전지가 더 저렴한 납축전지보다 선호된다. 높은 방전율에서도 니켈-카드뮴 전지는 거의 정격 용량을 제공하는 반면, 납축전지는 1.5C의 방전율에서 정격 용량의 절반 정도만 제공한다. 그러나 니켈과 카드뮴의 가격 때문에 납축전지보다 비싸다.참조
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