알칼리 전지

3. 화학 원리

알칼리 전지는 아연 분말을 사용하는 음극과 이산화망간을 사용하는 양극으로 구성되며, 수산화칼륨(KOH) 수용액을 전해질로 사용한다. 전지를 기기에 연결하면 산화·환원 반응이 일어나는데, 아연 전극은 산화 아연으로 변하는 산화 반응이, 이산화망간 전극은 삼산화 이망간으로 변하는 환원 반응이 일어난다.^[11]

3. 1. 반응식

• 음극 (산화): Zn (s) + 2OH⁻ (aq) → ZnO (s) + H₂O (l) + 2e⁻^[11]
• 양극 (환원): 2MnO₂ (s) + 2H₂O (l) + 2e⁻ → 2MnO(OH) (s) + 2OH⁻ (aq)^[11]
• 전체 반응: Zn (s) + 2MnO₂ (s) ↔ ZnO (s) + Mn₂O₃ (s)

4. 종류

• https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel–iron_battery 에디슨 전지: 양극에 수산화 니켈, 음극에 철을 사용한다.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel-Cadmium_battery 융그너 전지: 양극에 니켈, 음극에 카드뮴을 사용한다. 일반적으로 사용되나, 카드뮴은 환경 문제를 일으켜 점차 사용이 줄고 있다.

5. 용량 및 전압

알칼리 전지의 용량은 부하에 따라 크게 달라진다. 디지털 카메라와 같이 큰 전류를 사용하는 경우에는 시계처럼 적은 전류를 사용할 때보다 용량이 3~4배 정도 차이가 난다.^[32] 일반적으로 사용되는 1.5V 알칼리 건전지의 경우, 100mA 정전류 방전을 기준으로 AA 사이즈는 약 2200mAh 전후, AAA 사이즈는 950mAh 전후의 방전 전류량을 가진다.^[32]

AA 크기의 알칼리 전지는 저전류 방전 시 3000mAh의 유효 용량을 가질 수 있지만, 디지털 카메라에서 일반적인 1A 부하에서는 용량이 700mAh 정도로 낮아질 수 있다.^[12] 전지의 전압은 사용 중에 꾸준히 감소하므로 총 사용 가능 용량은 응용 프로그램의 차단 전압에 따라 달라진다.

제조사 기준으로 새 알칼리 전지의 공칭 전압은 1.5V이다. 새 알칼리 건전지의 실제 무부하 전압은 사용된 이산화 망간의 순도와 전해액 내 산화 아연의 함량에 따라 에서 1.65V 사이이다.^[13] 부하에 공급되는 전압은 인출 전류가 증가하고 전지가 방전됨에 따라 감소한다. 전압이 약 0.9V로 떨어지면 전지는 완전히 방전된 것으로 간주한다.^[13] 직렬로 연결된 전지는 각 전지의 전압의 합과 같은 전압을 생성한다(예: 새 전지 3개는 약 4.5V를 생성).

6. 형태 및 크기

알칼리 건전지는 아연-탄소 건전지와 호환되는 표준 원통형과 단추형으로 제조된다. 여러 개의 전지를 서로 연결하여 9V PP3형 건전지와 같은 "배터리"를 만들 수 있다. --

원통형(AA형 - AAA형), 적층형(9V, 3LR12, 4LR25, 23A, 4LR44 등), 버튼 전지 등 다양한 형태와 크기의 제품이 생산되고 있다. AAA, AA, C, sub-C 및 D형 전지는 음극이 평평한 쪽에 연결되고 양극은 돌출된 단추가 있는 쪽이다. 단추형 전지에서는 일반적으로 이것이 반대로 되어 있어, 평평한 원통형 캔이 양극 단자이다.

7. 용도

망간 건전지에 비해 에너지 밀도가 높으며, 모터 구동용, 전자 플래시 등 연속적으로 큰 전류가 흐르는 각종 휴대 기기에 사용된다.^[27] 내부 저항이 비교적 크기 때문에, 디지털 카메라와 같이 짧은 시간에 큰 전력을 소비하는 기기에는 원래 적합하지 않지만, 에너지 밀도가 낮은 망간 건전지로는 대응할 수 없기 때문에, 건전지식 디지털 카메라에는 일반적으로 알칼리 건전지의 사용이 지정되어 있다.

한편, 전자 시계나 적외선 리모컨 등과 같이 소비 전력이 적은 기기에 사용하는 경우, 건전지 수명보다 먼저 사용 권장 기한이 도래하는 경우가 있으므로, 제품에 따라서는 망간 건전지의 사용이 권장되고 있다.^[28]

일본 제조사의 알칼리 건전지는 거의 망간 건전지의 상위 호환 제품이며 대부분의 용도에서 망간 건전지보다 수명이 더 길다. 하지만 그 시간은 적절한 용도에서는 5~10배가 되지만, 적절하지 않은 용도에서는 1.5~3배 정도에 그친다.

망간 건전지가 적합하다고 여겨졌던 시계나 리모컨에서도, 전파시계·음성 인식 등 다기능 제품의 경우 알칼리 건전지를 지정하는 제품이 등장하고 있다. 또한 석유난로의 점화는 기존의 히터 방식에서는 망간 건전지가 적합하다고 여겨졌지만, 토요토미(토요토미)의 방전식 점화 장치 ‘PonPa’에서는 알칼리 건전지를 추천하고 있다.

대전류를 요구하는 용도에서 알칼리 건전지의 전압이 크게 저하되는 단계가 되어도, 에너지 밀도는 망간 건전지의 절반 정도를 남기고 있기 때문에, 미니사구나 RC카 등의 모터 기기에서 충분한 성능을 발휘하지 못하게 된 것을 시계 등에 활용하여 다 써버리는 방법도 있다.

8. 제조사

대한민국에서는 파나소닉, 도시바, 후지쓰, 맥셀 등 일본 제조사들이 알칼리 전지 시장을 주도하고 있다. 카네마쓰, 리더 미디어 테크노, 미쓰비시전기 홈기기, 오옴전자, 아이리스오야마 등도 알칼리 전지를 제조한다.

후지필름, 소니, 히타치는 과거 알칼리 전지를 판매했으나 현재는 판매를 중단했다.^[1]

8. 1. 해외

8. 2. 대한민국

후지필름, 소니 (소니에너지·디바이스), 히타치제작소 (히타치글로벌라이프솔루션즈)는 과거 알칼리 전지를 판매했으나 현재는 중단되었다.^[1]

9. 누액 문제

10. 폐기 및 재활용

1996년부터 수은 함량이 줄어든 알칼리 건전지는 일부 지역에서 일반 생활 쓰레기로 처리가 허용된다. 그러나 수은이 포함된 구형 알칼리 건전지와 모든 건전지(신형 및 구형)에 남아 있는 기타 중금속 및 부식성 화학 물질은 여전히 폐기, 특히 매립지에 문제를 야기한다.^[20][21]

폐기 방법은 관할 구역에 따라 다르다. 예를 들어, 캘리포니아주(California)는 폐기된 모든 건전지를 위험 폐기물로 간주하고 생활 쓰레기로의 건전지 폐기를 금지했다.^[22] 유럽에서는 WEEE 지침 및 건전지 지침 규정에 따라 건전지 폐기가 규제되므로 알칼리 건전지를 생활 쓰레기와 함께 버려서는 안 된다. EU에서는 대부분의 건전지 판매점이 법적으로 폐건전지를 재활용을 위해 수거해야 한다.

대한민국을 포함한 일부 국가에서는 알칼리 전지를 포함한 모든 건전지를 별도로 수거하여 재활용하도록 규정하고 있다.

재활용을 위해서는 분쇄된 알칼리 건전지에서 금속을 기계적으로 분리하고, 폐기된 검은 덩어리는 화학적으로 처리하여 아연, 이산화망간, 수산화칼륨을 분리한다.

11. 충전

일반적으로 알칼리 전지는 충전이 불가능하도록 설계되어 있으며, 충전을 시도하면 파열되거나 장비를 부식시키는 유해 액체가 누출될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 알칼리 전지는 몇 번 충전할 수 있도록 설계되어 충전식 알칼리 전지로 판매되기도 한다. 일반 알칼리 전지도 각 충전 후 용량이 감소하더라도 몇 번(대개 10회 이하) 충전할 수 있다고 보고되며, 이를 위한 충전기가 상업적으로 판매되기도 한다. 영국의 소비자 단체 ''위치?''의 실험 결과, 에너자이저 알칼리 전지를 두 번 충전했을 때 평균적으로 원래 용량의 10% 수준으로 용량이 감소했으며, 그 편차도 큰 것으로 나타났다.^[16]

2017년, Gautam G. Yadav는 이온층 사이에 구리 이온을 삽입하여 만든 알칼리 전지가 이산화망간의 이론적 제2전자 용량 덕분에 6,000회 이상 충전될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.^[17][18] 이러한 충전식 전지의 에너지 밀도는 160Wh/L 이상으로, 수계 화학 전지 중 가장 우수한 수준이다.^[18] 아연 활용도가 향상되면 리튬이온 전지 (최소 250Wh/L)에 필적하는 에너지 밀도를 달성할 수 있다.^[17]

12. 충전식 알칼리 전지

일부 알칼리 전지는 여러 번 충전할 수 있도록 설계되었으며, 충전식 알칼리 전지로 불린다. 일반 알칼리 전지를 충전하려고 하면 파열되거나 장비를 부식시키는 유해 액체가 누출될 수 있다. 그러나 일반 알칼리 전지도 각 충전 후 용량이 감소하더라도 몇 번(일반적으로 10회 이하) 충전할 수 있다고 보고되며, 상업적으로 판매되는 충전기도 있다. 영국의 소비자 단체인 위치?는 두 개의 충전기를 에너자이저 알칼리 전지와 함께 테스트하여 두 번 충전한 후(충전 전 방전량을 명시하지 않고) 평균적으로 원래 용량의 10%로 용량이 감소했으며, 그 변화가 매우 컸다고 보고했다.^[16]

2017년 Gautam G. Yadav는 이온층 사이에 구리 이온을 삽입하여 만든 알칼리 전지가 이산화망간의 이론적 제2전자 용량으로 인해 6,000회 이상 충전될 수 있다는 논문을 발표했다.^[17][18] 구리 삽입 이산화망간이 포함된 이러한 충전식 전지의 에너지 밀도는 160Wh/L 이상으로 보고되며, 수계 화학 중 가장 우수하다.^[18] 전지에서 아연 활용도가 향상되면 리튬이온(최소 250Wh/L)과 비교할 만한 에너지 밀도를 달성할 수 있다.^[17]

충전식 알칼리 전지의 1세대는 캐나다의 배터리 테크놀로지(Battery Technology)사가 퓨어에너지(Pure Energy)사, 엔바이로셀(EnviroCell)사, 레이오백(Rayovac)사, 그리고 그랜드셀(Grandcell)사에 라이선스를 제공했다. 후속 특허와 발전된 기술이 도입되었다. AA, AA 등과 9V 006P형이 있다. 충전식 알칼리 전지는 니켈 카드뮴 전지나 구형 니켈 수소 전지(에네루프가 출시되기 전의 제품)가 90일 만에 자가 방전되는 것과 달리 1년 동안 충전을 유지한다. 적절하게 생산된다면 충전식 알칼리 전지는 환경 친화적인 에너지 저장 방식이다. 충전기는 "충전식 알칼리 전지 전용"이며, '''일반 알칼리 전지를 충전할 수 없다'''.

충전식 알칼리 전지와 그렇지 않은 알칼리 전지의 조성 차이는 주로 재료의 조성과 충전에 적합한 구조 여부에 있다. 화학적 조성의 개선 없이는 여러 번의 충전을 유지할 수 없다. 전지는 기존 알칼리 전지나 충전식 전지보다 향상된 누액 방지 기능을 갖추고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Life Cycle Impacts of Alkaline Batteries with a Focus on End-of-Life - EBPA-EU https://web.archive.[...] Massachusetts Institute of Technology, Materials Systems Lab 2011-02
_[2] 웹사이트 BAJ Website - Monthly battery sales statistics https://web.archive.[...] Battery Association of Japan 2011-03
_[3] 웹사이트 Absatzzahlen 2008 https://web.archive.[...] Interessenorganisation Batterieentsorgung
_[4] 웹사이트 Battery Waste Management Life Cycle Assessment Final Report for Publication https://web.archive.[...] Environmental Resources Management, DEFRA 2006-10-18
_[5] 웹사이트 EPBA Battery Statistics - 2000 https://web.archive.[...] European Portable Battery Association
_[6] 서적 Health Effects https://www.ncbi.nlm[...] Agency for Toxic Substances and Disease Registry (US) 2012-09
_[7] 웹사이트 Science.ca : Lew Urry http://www.science.c[...]
_[8] 웹사이트 Thomas Edison provided Lew Urry spark of idea for better alkaline battery: Greater Cleveland Innovations http://blog.clevelan[...] 2011-08-03
_[9] 특허 US Patent 2960558 http://www.freepaten[...]
_[10] 서적 Chapter 8: Zinc-Carbon Batteries (LeClanché and Zinc-Chloride Cell Systems https://archive.org/[...]
_[11] 서적 Chapter 10: Alkaline–Manganese Dioxide Batteries https://archive.org/[...]
_[12] 서적 Chapter 3: Factors Affecting Battery Performance https://archive.org/[...]
_[13] 서적 Chapter 7: Primary Batteries – Introduction https://archive.org/[...]
_[14] 웹사이트 Single-cell Battery Discharge Characteristics Using the TPS61070 Boost Converter http://www.ti.com/li[...] Texas Instruments 2004-08
_[15] 웹사이트 Discharge tests of Alkaline AA batteries 100mA to 2A https://www.powerstr[...]
_[16] 웹사이트 Battery Chargers - What You Need To Know https://www.which.co[...] 2016-02
_[17] 논문 Regenerable Cu-intercalated MnO2 layered cathode for highly cyclable energy dense batteries 2017
_[18] 논문 A conversion-based highly energy dense Cu2+ intercalated Bi-birnessite/Zn alkaline battery 2017
_[19] 문서 알칼리 전지 누출로 인한 손상
_[20] 웹사이트 Battery Recycling http://www.sandiego.[...] City of San Diego
_[21] 웹사이트 Frequently Asked Questions https://web.archive.[...] Raw Materials Company
_[22] 웹사이트 Batteries http://www.calrecycl[...] California Department of Resources Recycling and Recovery (CalRecycle)
_[23] 웹사이트 Battery Care, Use and Disposal | Duracell Batteries https://www.duracell[...]
_[24] 뉴스 How to Recycle Alkaline Batteries https://recyclenatio[...] 2014-03-18
_[25] 웹사이트 Battery FAQ http://www.powerstre[...]
_[26] 웹사이트 電池の構造と反応式（例） http://www.baj.or.jp[...] 一般社団法人　電池工業会
_[27] 웹사이트 アルカリ乾電池とマンガン乾電池の違いは何ですか？ http://www.baj.or.jp[...] 電池工業会
_[28] 웹사이트 機能・性能について http://support.casio[...] CASIO
_[29] 웹사이트 Afroman's guide to recharging alkaline batteries 充電の実験 http://www.afrotechm[...]
_[30] 웹사이트 Charging the unchargeable http://www.i-hacked.[...]
_[31] 웹사이트 Potassium hydroxide MSDS from JTBaker http://www.jtbaker.c[...] JTBaker
_[32] 웹인용 교양있는 엔지니어 - 전지 용량 시험 https://eqmaker.kr/c[...] 2024-10-17