니켈-수소전지

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 개발 과정
- 2.2. 주요 제조업체
3. 특징
4. 설계
참조

1. 개요

니켈-수소 전지는 1970년 콤샛에서 개발을 시작하여 1977년 NTS-2 위성에 처음 사용된 충전식 전지이다. 니켈 전극과 연료 전지 음극을 결합하여 작동하며, 방전 시 수소 압력 감소를 통해 충전 상태를 알 수 있다. 55~60 Wh/kg의 우수한 비에너지와 긴 수명을 가지지만, 자기 방전율이 높고 부피 효율이 낮다는 단점이 있다. 개별 압력 용기(IPV), 공통 압력 용기(CPV) 등 다양한 설계 방식이 존재한다.

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니켈-카드뮴 전지는 수산화 니켈 양극, 카드뮴 음극, 수산화칼륨 전해액을 사용하는 충전식 배터리로, 높은 방전율로 인해 과거 널리 사용되었으나 카드뮴의 환경 문제와 낮은 에너지 밀도, 메모리 효과 등으로 니켈-수소 전지나 리튬 이온 전지로 대체되고 있다.
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니켈-수소전지
개요
니켈-수소 전지 도식
에너지 무게당 밀도	55–75 W·h/kg
에너지 부피당 밀도	~60 W·h/L
전력 무게당 밀도	~220 W/kg
수명 주기	20,000회 이상
충전-방전 효율	85%

2. 역사

니켈-수소 전지는 1970년 콤샛에서 개발을 시작했으며, 1977년 미국 해군의 NTS-2 위성에 처음으로 사용되었다.^[18]

2. 1. 개발 과정

콤샛은 1970년에 니켈-수소 전지 개발을 시작했으며, 1977년 미국 해군의 NTS-2 위성에 처음으로 사용되었다.^[18] 현재 이글피처 테크놀로지스와 존슨 콘트롤즈가 니켈-수소 전지의 주요 제조업체이다.

2. 2. 주요 제조업체

현재 니켈-수소 전지의 주요 제조업체는 이글피처 테크놀로지스와 존슨 콘트롤즈이다.^[18]

3. 특징

니켈-수소 전지는 니켈-카드뮴 전지의 양극과 연료 전지의 음극을 결합한 것이다. 다른 충전식 배터리와 비교하여 비에너지가 55~60 Wh/kg으로 우수하고 수명 주기가 매우 길지만, 수소의 기체 특성 때문에 부피 효율이 낮고 고가의 압력 용기가 필요하다는 단점이 있다.^[21]

양극은 수산화 니켈을 포함하는 건식 소결^[22] 다공성 니켈 플레이크로 구성된다. 음극 수소 전극은 7 mg/cm2의 로딩으로 테플론 결합 백금흑 촉매를 사용하며, 분리막은 니트 이산화지르코늄 직물(ZYK-15 Zircar)이다.^[23]^[24]

허블 망원경 교체용 배터리는 결합제와 분말 금속 재료를 성형하고 가열하여 액체를 증발시키는 습식 슬러리 공정으로 생산된다.^[25]

3. 1. 작동 원리

니켈-수소 전지는 니켈-카드뮴 전지의 양극(니켈 전극)과 연료 전지의 음극(촉매 및 가스 확산 요소 포함)을 결합한 것이다. 방전 시 압력 용기에 포함된 수소는 물로 산화되는 반면, 수산화 니켈 전극은 수산화니켈로 환원된다. 니켈 전극에서는 물이 소모되고 수소 전극에서는 물이 생성되므로 수산화칼륨 전해질의 농도는 변하지 않는다. 배터리가 방전됨에 따라 수소 압력이 떨어지므로 신뢰할 수 있는 충전 상태 지표를 제공한다. 한 통신 위성 배터리의 경우, 완전 충전 시 압력은 500psi (3.4MPa)를 넘었고, 완전 방전 시 약 15psi (0.1MPa)로 떨어졌다.^[20]

과충전되면 니켈 전극에서 생성된 산소가 전지에 있는 수소와 반응하여 물을 형성한다. 결과적으로, 발생하는 열을 발산할 수 있는 한 전지는 과충전을 견딜 수 있다.

이 전지는 자기 방전율이 상대적으로 높다는 단점이 있다. 즉, 음극에서 Ni(III)가 Ni(II)로 화학적으로 환원되는 현상이다.

:NiOOH + 1/2H2 <=> Ni(OH)2.

이는 전지 내 수소의 압력에 비례한다. 일부 설계에서는 며칠의 저장 후 용량의 50%가 손실될 수 있다. 자기 방전은 저온에서 더 적다.^[21]

3. 2. 장점

니켈-수소 전지는 비에너지가 55~60 Wh/kg으로 우수하며, 수명 주기가 매우 길어 40% DOD(방전심도)에서 40,000회에 달하고, 위성 응용 분야에서는 15년 이상 작동 가능하다.^[21] 또한 과충전이나 우발적인 극성 역전에 대한 내구성이 뛰어나다.^[21] 전지 내부의 수소 압력을 통해 충전 상태를 쉽게 파악할 수 있다는 장점도 있다.^[21] 완전 충전 시 압력은 500psi(3.4 MPa)를 넘지만, 완전 방전 시에는 약 15psi(0.1 MPa)까지 떨어진다.^[20]

니켈-수소 전지의 장점
항목	내용
비에너지	55~60 Wh/kg^[21]
수명 주기	40% DOD에서 40,000회^[21]
작동 수명 (위성)	15년 이상^[21]
내구성	과충전 및 극성 역전 허용^[21]
충전 상태 지표	전지 내 수소 압력^[21]

3. 3. 단점

니켈-수소 전지는 자기 방전율이 상대적으로 높다는 단점이 있다. 이는 음극에서 Ni(III)가 Ni(II)로 화학적으로 환원되기 때문이다.^[21]

:NiOOH + 1/2H2 <=> Ni(OH)2.

이 현상은 전지 내 수소 압력에 비례한다. 일부 설계에서는 며칠 만에 용량의 50%가 손실될 수 있다. 자기 방전은 온도가 낮을수록 덜하다.^[21]

수소의 기체 특성 때문에 부피 효율이 상대적으로 낮고(개별 압력 용기(IPV) 전지의 경우 60Wh/L~100Wh/L), 높은 압력이 필요하여 고가의 압력 용기가 필요하다는 단점도 있다.^[21]

3. 4. 구성 요소

양극은 수산화 니켈을 포함하는 건식 소결^[22] 다공성 니켈 플레이크로 구성된다. 음극 수소 전극은 7mg/cm2의 로딩으로 테플론 결합 백금흑 촉매를 사용하며, 분리막은 니트 이산화지르코늄 직물(ZYK-15 Zircar)이다.^[23]^[24]

4. 설계

니켈-수소전지 (NiH₂)는 개별 압력 용기(IPV), 공통 압력 용기(CPV), 단일 압력 용기(SPV), 바이폴라, 종속 압력 용기(DPV), 공통/종속 압력 용기(C/DPV) 등 다양한 설계 방식이 있다.^[26]^[27]^[28]^[29]

4. 1. 개별 압력 용기 (IPV) 설계

개별 압력 용기(IPV) 설계는 압력 용기 내에 단일 니켈-수소전지(NiH₂) 전지 단위로 구성된다.^[26]

4. 2. 공통 압력 용기 (CPV) 설계

공통 압력 용기(CPV) 설계는 공통 압력 용기 내에 직렬로 연결된 두 개의 니켈-수소(NiH₂) 전지 스택으로 구성된다.^[26] CPV는 개별 압력 용기(IPV)보다 약간 더 높은 비에너지를 제공한다.

4. 3. 단일 압력 용기 (SPV) 설계

단일 압력 용기(SPV) 설계는 최대 22개의 전지를 단일 압력 용기 내에 직렬로 결합한다.^[26]

4. 4. 바이폴라 설계

바이폴라 설계는 단일 압력 용기(SPV)에 양극과 음극이 등-등으로 쌓인 두꺼운 전극을 기반으로 한다.^[27]

4. 5. 종속 압력 용기 (DPV) 설계

종속 압력 용기(DPV) 전지 설계는 더 높은 비에너지와 낮은 비용을 제공한다.^[28]

4. 6. 공통/종속 압력 용기 (C/DPV) 설계

공통/종속 압력 용기(C/DPV)는 높은 체적 효율을 가진 공통 압력 용기(CPV)와 종속 압력 용기(DPV)의 하이브리드 형태이다.^[29]

참조

_[1] 논문 Spacecraft Power Systems http://ocw.mit.edu/c[...]
_[2] 보고서 NASA/CR—2001-210563/PART2 http://gltrs.grc.nas[...] 2008-12-19
_[3] 논문 Five-year update: nickel hydrogen industry survey https://ieeexplore.i[...]
_[4] 논문 A simplified physics-based model for nickel hydrogen battery https://web.archive.[...] 2008-10-25
_[5] 웹사이트 Nickel–hydrogen spacecraft battery handling and storage practice https://web.archive.[...]
_[6] 특허 Hermetically sealed nickel–hydrogen storage cell https://patents.goog[...]
_[7] 논문 Potassium hydroxide electrolyte for long-term nickel–hydrogen geosynchronous missions https://web.archive.[...] 2008-10-25
_[8] 보고서 NASA/CR—2001-210563/PART2 http://gltrs.grc.nas[...] 2008-12-19
_[9] 논문 Optimization of spacecraft electrical power subsystems http://theses.gla.ac[...]
_[10] 논문 Five-year update: nickel hydrogen industry survey https://ieeexplore.i[...]
_[11] 보고서 Ni-H₂ Cell Characterization for Intelsat Programs https://ntrs.nasa.go[...]
_[12] 보고서 Validation of International Space Station electrical performance model via on-orbit telemetry http://gltrs.grc.nas[...] 2009-02-18
_[13] 보고서 NASA.gov http://www.nasa.gov/[...]
_[14] 논문 A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft https://ieeexplore.i[...]
_[15] 웹사이트 Mars Global Surveyor http://www.astronaut[...] 2009-08-10
_[16] 웹사이트 Hubble space telescope servicing mission 4 batteries http://www.nasa.gov/[...]
_[17] 논문 NiH₂ reliability impact upon Hubble Space Telescope battery replacement https://ieeexplore.i[...]
_[18] 논문 Nickel–Hydrogen Battery Technology—Development and Status http://pdf.aiaa.org/[...] 2012-08-29
_[19] 논문 NTS-2 Nickel–Hydrogen Battery Performance http://www.aiaa.org/[...] 2009-08-10
_[20] 웹사이트 Hubble Space Telescope Servicing Mission 4 Batteries http://www.nasa.gov/[...]
_[21] 서적 Handbook of Batteries Third Edition McGraw-Hill 2002
_[22] 보고서 Performance comparison between NiH₂ dry sinter and slurry electrode cells https://ntrs.nasa.go[...]
_[23] 웹사이트 http://www.azom.com/[...] 2008-08-17
_[24] 웹사이트 Nickel–Hydrogen Batteries http://micro.magnet.[...]
_[25] 웹사이트 Hubble space telescope servicing mission 4 batteries http://www.nasa.gov/[...]
_[26] 보고서 Nickel hydrogen batteries-an overview http://gltrs.grc.nas[...] 2009-04-12
_[27] 논문 Development of a large scale bipolar NiH₂ battery http://adsabs.harvar[...]
_[28] 논문 1995–dependent pressure vessel (DPV) http://adsabs.harvar[...]
_[29] 웹사이트 Common/dependent-pressure-vessel nickel–hydrogen Batteries http://www.techbrief[...]

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