이차 전지
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1. 개요
이차 전지는 충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 말하며, 다양한 종류와 특성을 가지고 있다. 주요 이차 전지로는 리튬 이온 배터리, 니켈 수소 축전지, 니켈 카드뮴 전지 등이 있으며, 각기 다른 용량, 자연 방전율, 메모리 효과, 특징 등을 갖는다. 이차 전지는 휴대용 전자기기, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템, 무정전 전원 장치 등 다양한 분야에서 활용된다. 충전 및 방전 과정에서 화학 반응을 통해 전기를 발생시키며, 사용 시 과충전, 역충전, 메모리 효과 등에 유의해야 한다. 이차 전지는 충전 횟수가 증가함에 따라 용량이 감소하며, 재활용을 통해 자원 순환을 돕는다. 최근에는 전고체 배터리, 리튬-황 배터리, 나트륨 이온 배터리 등 차세대 2차 전지 개발이 활발히 이루어지고 있다.
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- 이차 전지 - 니켈-수소전지
니켈-수소 전지는 1970년대에 개발되어 니켈 전극과 연료 전지 음극을 결합하여 작동하며, 우수한 비에너지와 긴 수명을 가지지만 자기 방전율이 높고 부피 효율이 낮다는 특징을 가진 충전식 전지이다. - 이차 전지 - 리튬 이온 전지
리튬 이온 전지는 리튬 이온을 이동시켜 작동하는 이차 전지로, 높은 에너지 밀도와 긴 수명 등의 장점으로 휴대용 전자기기, 전기 자동차 등 다양한 분야에 사용되지만, 화재 위험과 환경 및 인권 문제라는 과제도 안고 있다. - 전지 - 연료전지
연료전지는 수소, 탄화수소 등의 연료와 산화제를 사용하여 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율 발전 장치로, 다양한 종류가 있으며 여러 분야에 응용되지만 상용화를 위한 과제가 남아있다. - 전지 - 화학 전지
화학 전지는 자발적인 산화-환원 반응을 통해 전기를 생성하는 장치이며, 1차 전지, 2차 전지, 갈바니 전지, 전해 전지, 연료 전지 등으로 분류된다.
| 이차 전지 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 전기 화학 전지 |
| 설명 | 방전 후 재충전하여 여러 번 사용할 수 있는 전지 |
| 역사 | |
| 발명 | 가스통 플랑테 (1859년) |
| 최초 형태 | 납 축전지 |
| 작동 원리 | |
| 주요 과정 | 전기 화학 반응의 가역성 이용 |
| 충전 | 외부 전원 공급으로 활물질의 화학 조성 변화 유도 |
| 방전 | 자발적인 화학 반응을 통해 전기 에너지 방출 |
| 종류 | |
| 주요 종류 | 납 축전지 니켈 카드뮴 전지 니켈 수소 전지 리튬 이온 전지 리튬 이온 폴리머 전지 나트륨 이온 전지 레독스 흐름 전지 |
| 특징 | 각기 다른 전극 재료와 전해액 사용 |
| 장단점 | |
| 장점 | 높은 에너지 밀도 긴 수명 다양한 크기와 형태로 제작 가능 |
| 단점 | 초기 비용 높음 특정 종류의 경우 환경 문제 발생 가능성 존재 과충전, 과방전, 고온 환경에 민감 |
| 활용 분야 | |
| 주요 활용 분야 | 휴대 전화 노트북 컴퓨터 전기 자동차 에너지 저장 시스템 전동 공구 무정전 전원 장치 (UPS) |
| 미래 전망 | |
| 연구 개발 방향 | 에너지 밀도 향상 충전 속도 개선 수명 연장 안전성 강화 비용 절감 친환경적인 재료 개발 |
| 차세대 전지 | 전고체 전지 리튬-황 전지 금속-공기 전지 |
| 기타 정보 | |
| 관련 용어 | 일차 전지 (재충전 불가) 전기 자동차 (이차 전지 활용 예시) |
| 주의 사항 | 올바른 충전 및 방전 방법 준수 안전 관련 규정 준수 |
2. 종류 및 특징
2차 전지는 전극을 구성하는 물질과 전해질의 종류에 따라 다양하게 분류된다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차 전지는 사용하지 않아도 시간이 지나면 자연적으로 방전되는 '''자연 방전''' 현상이 나타나기도 한다. 또한, 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대 충전 용량이 줄어드는 '''메모리 효과'''가 발생할 수 있다.
화학 전지는 금속의 이온화 경향을 이용하여 산화 환원 반응을 통해 전기를 생산한다. 전해질은 일반적으로 산화 환원 작용이 있는 액체를 사용하지만, 고체 전해질을 사용하여 안정성과 안전성을 높인 전고체 전지 연구도 활발하게 진행되고 있다.
납축전지는 1859년 프랑스의 가스통 플랑테가 발명한 가장 오래된 충전지이다. 돌입 전류가 높아 자동차 시동기에 주로 사용되지만, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 니켈-카드뮴 축전지(NiCd)는 1899년 스웨덴의 발데마르 융너가 발명했으며, 카드뮴의 독성 문제로 인해 니켈 수소 축전지(NiMH)로 대체되고 있다. 니켈-철 축전지(NiFe)는 토머스 에디슨에 의해 상용화되었으며, 독성 원소를 포함하지 않아 친환경적이다.
1989년에 출시된 니켈 수소 축전지(NiMH)는 음극에 수소 흡수 합금을 사용하며, 1991년에 출시된 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가져 대부분의 소비자 전자 제품에 사용된다. 그러나 리튬 이온 배터리는 발화 위험이 있어 주의가 필요하다.[13][14] 리튬 폴리머 배터리(LiPo)는 가볍고 유연하지만, 리튬 이온 배터리만큼 널리 사용되지는 않는다.
2. 1. 주요 2차 전지
| 구분 | 리튬 이온 전지 | 니켈 수소 축전지 | 니켈-카드뮴 축전지 | 리튬 폴리머 전지 |
|---|---|---|---|---|
| 용량 | 크다 | 크다 | 작다 | 크다 |
| 자연 방전 | 거의 없다 | 보통 | 많다 | 거의 없다 |
| 메모리 효과 | 없다 | 보통(약간 있다.) | 많다 | 거의 없다 |
| 특징 | 폭발사고 위험 존재[13][14] 저온 방전 가능성이 적음 전압이 높음 2차 전지 시장의 대부분을 차지함 가벼운 무게 역충전의 위험에 노출 | 저렴한 가격 전압이 니켈-카드뮴 축전지와 동일해 호환성이 있음 급속 충,방전이 가능하고 저온 특성이 우수함 밀폐화가 가능하여 과충전 및 과방전에 강함 공해 물질이 거의 없음 | 급속 충,방전에 유리 전류를 충분히 소모시킨 후에 완전 재충전해야 함 전기, 기계적으로 튼튼하여 수명이 길고, 안정함 튜브식의 경우 수명이 가장 길고 완방전용에 적합함. 포켓식은 두꺼운 형과 얇은 형이 있는데 완방전용과 급방전용의 양쪽에 사용됨. | 액체 전해질 대신 고분자 전해질을 사용해 이온 전도도와 안정성이 높음. 유연성이 높고 종이처럼 얇고 가벼워서 형상을 다양하게 설계할 수 있음. 전해질이 반고체 상태인 젤이기 때문에 폭발의 위험이 없음. 과충전, 과방전, 찌그러짐은 파열, 화재 등 치명적 고장을 초래할 수 있음 |
| 용도 | 디지털 카메라, 휴대전화, 노트북 | AA건전지, 하이브리드 자동차의 배터리, RC카 | 전동 면도기, 코드 없는 진공 청소기, 가정용 무선 전화기, 전동드릴, RC카 등 | 드론의 전원, 핸드폰, 노트북 등의 배터리, RC카 |
2. 2. 기타 2차 전지
다음은 여러 종류의 2차 전지에 대한 설명이다.- '''납축전지''': 자동차 시동용 배터리로 주로 사용되며, 가격이 저렴하고 높은 전류를 공급할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 무게가 무겁고 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.[45]
- '''레독스 흐름 전지''': 전해액을 순환시켜 충전과 방전을 하는 방식으로, 대용량 에너지 저장에 적합하다.
- '''나트륨-황 전지''': 고온에서 작동하며, 대용량 에너지 저장에 사용될 수 있다.
- '''금속 공기 전지''': 금속과 공기 중 산소의 반응을 이용하는 전지로, 높은 에너지 밀도를 가지지만 충전 효율이 낮다.
- '''전고체 전지''': 전해질이 고체로 되어 있어 안정성이 높고 에너지 밀도를 높일 수 있는 차세대 전지 기술이다.
| 종류 | 공칭 전압 (V) | 에너지 밀도 (Wh/kg) | 출력 대 중량비 (W/kg) | 충방전 효율 (%) | 자기 방전율 (%/월) | 내용 충방전 사이클 수 (회) | 내용 연수 (년) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 나트륨 이온[26] | 3.6 | 75–200 | 30 | 5000+ | 시험 중 | |||
| 아연-브롬 | 1.8 | 75–85 | ||||||
| 아연-세륨[28] | 2.5 | 시험 중 | ||||||
| 바나듐 레독스 | 1.15–1.55 | 25–35[29] | 20[30] | 20,000[31][32] | 25[32] | |||
| 나트륨-황 | 150 | 89–92 | 2500–4500 | |||||
| 용융염 | 2.58 | 70–290[33] | 150–220 | 3000+ | <=20 | |||
| 은-아연 | 1.86 | 130 | 240 | |||||
| 니켈-아연 | 1.65 | 70-90[36] | 8000[36] | |||||
| 양자 배터리 (산화물 반도체)[37][38] | 1.5–3 | 500 | 8000 (W/L) | 100,000 |
2. 3. 전해질에 따른 분류
- 수계 전해질: 일반적으로 이차 전지에 사용된다.
- 비수계 전해질: 이온 전도성이 있는 유기 용매를 사용한다. 물의 전기 분해 전압보다 높은 전압에서 충방전이 가능하다.
- 고분자 고체 전해질: 설포기를 가진 이온 교환막을 사용한다.
- 용융염 전해질: 용융 상태에서 이온 전도성을 가진다.
- 고체 전해질: 고온에서 이온 전도성을 가진다.
- β-알루미나 고체 전해질: 고온에서 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 이온 전도성을 가진다.
3. 작동 원리
2차 전지는 외부 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 변환하여 사용하는 장치이다. 충전과 방전을 반복할 수 있다는 점이 1차 전지와 가장 큰 차이점이다.
2차 전지는 충전 시 외부 전원을 통해 전자를 음극(-)에서 양극(+)으로 이동시킨다. 방전 시에는 전자가 양극(+)에서 음극(-)으로 이동하며 전류를 발생시켜 전기를 사용할 수 있게 된다.
니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등 다양한 종류의 2차 전지가 있으며, 각 전지는 사용되는 물질과 화학 반응에 따라 다른 특성을 가진다.
3. 1. 니켈-카드뮴 전지
'''니켈-카드뮴 전지'''는 니켈과 카드뮴을 전극으로 사용하는 2차 전지의 한 종류이다.1899년에 스웨덴의 융너(Jungner)가 처음으로 개발하였는데, 방전 과정에서 산화전극 및 환원 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
- 산화전극 (-극): Cd(s) + 2OH⁻(aq) → Cd(OH)₂(s) + 2e⁻
- 환원전극 (+극): 2NiO(OH)(s) + 2H₂O(l) + 2e⁻ → 2Ni(OH)₂(s) + 2OH⁻(aq)
전체 반응은 아래와 같고 전압은 1.2V에 해당한다.
Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H₂O(l) → Cd(OH)₂(s) + 2Ni(OH)₂(s)
충전 과정에서는 위에서 제시한 반응의 역반응이 일어난다.
3. 2. 니켈-수소 전지
'''니켈-수소 전지'''(Ni-MH 전지)는 기존의 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd 전지)에서 카드뮴(Cd) 극을 수소 저장 합금으로 대체한 것이다. 음극에는 수소 저장 합금(M), 양극에는 수산화 니켈(Ni(OH)₂/NiOOH)이 사용된다. 분리막으로는 Ni-Cd 전지와 같이 알칼리에 강한 나일론 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리아미드 부직포 등이 사용된다. 전해액은 이온 전도성이 가장 높은 5~8 M KOH 수용액이 사용된다.충전 시 음극에서는 물이 전기 분해되어 생성된 수소 이온이 수소 저장 합금에 저장되는 환원 반응이 일어난다. 양극에서는 Ni(OH)₂가 NiOOH로 산화되는 반응이 일어난다. 방전 시에는 반대로 음극에서 수소 화합물의 수소 원자가 산화되어 물이 되고, 양극에서는 NiOOH가 Ni(OH)₂로 환원되는 반응이 일어난다.
니켈 양극이 완전히 충전된 후에도 전류가 계속 흘러 과충전이 되면, 양극에서는 산소가 발생한다. 그러나 음극의 용량이 양극보다 크면, 발생된 산소가 음극 표면으로 확산되어 산소 재결합 반응이 일어난다. 음극에서는 산소를 소비시키기 위해 수소가 감소하게 되어 동일한 전기량이 충전되므로 전체적으로는 변화가 없다. 반대로 과방전이 되면, 양극에서는 수소가 생성되고 이 수소는 음극에서 산화되므로 전체적으로 전지 내압은 상승하지 않는다. 이와 같이 Ni-MH 전지는 원리적으로 과충전과 방전 시 전지 내압이 증가하지 않고, 전해액의 농도가 변하지 않는 신뢰성이 높은 전지이다.
3. 3. 리튬 이온 전지
Lithium-ion battery영어는 (+)극으로 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)을, (-)극으로 탄소를 사용하며, 충전과 방전 시 다음과 같은 반응이 일어난다. 두 전극 사이에는 리튬염이 용해되어 리튬 이온(Li⁺)의 이동을 돕는 유기질 전해액이 채워져 있다.충전 시에는 외부 전원에서 전기에너지가 공급되면서 (+)극의 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)에서 리튬 이온(Li⁺)이 빠져나와 (-)극의 흑연(C) 층으로 이동하여 저장된다. 이때 리튬 이온은 흑연 층에서 전자와 결합한다.
(+극) LiCoO₂ → Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻[1]
(-극) xLi⁺ + xe⁻ + 6C → LixC₆[1]
방전 시에는 (-)극의 흑연에 저장되어 있던 리튬 이온(Li⁺)이 다시 (+)극의 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)로 이동하며, 이때 전자를 방출한다. 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전류를 발생시켜 전기를 사용할 수 있게 된다.
(-극) LixC₆ → xLi⁺ + xe⁻ + 6C[1]
(+극) Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ → LiCoO₂[1]
리튬 이온 전지의 충전 및 방전 과정에서 리튬 이온 자체는 산화되거나 환원되지 않고, (+)극과 (-)극 사이를 이동만 한다. 실제로 산화-환원 반응에 참여하는 것은 코발트(Co)이다. 충전 시에는 Co³⁺가 산화되어 Co⁴⁺가 되고, 방전 시에는 Co⁴⁺가 환원되어 Co³⁺가 된다.[1]
3. 4. 리튬 이온 폴리머 전지
'''리튬 이온 폴리머 전지'''는 리튬 이온 전지의 한 종류로, 젤 형태의 고분자(Polymer)가 양극과 음극 사이의 분리막 역할을 하며, 동시에 전해질 역할도 한다. 리튬 이온 전지와 차별화하기 위해 폴리머라는 이름을 붙였지만, 작동 원리는 같다. 리튬 폴리머 전지(LiPo)는 가볍고, 에너지 밀도가 약간 더 높으며, 다양한 모양으로 만들 수 있다는 장점이 있다. 그러나 가격이 다소 비싸며,[15] 리튬 이온 배터리를 완전히 대체하지는 못했다.[16] 주로 원격 제어 자동차, 보트, 비행기 등에 사용된다.[17][18] 일부 보고서에서는 사용 지침을 따르지 않을 경우 화재 위험이 있다고 경고한다.[19]4. 특성
2차 전지는 여러 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성들은 2차 전지의 성능과 용도를 결정하는 중요한 요소이다. 주요 특성들은 다음과 같다.
- C 비율: 배터리의 충전 및 방전 속도를 나타내는 지표이다. C 비율은 1시간 안에 배터리를 완전히 충전 또는 방전시킬 수 있는 이론적인 전류 값이다. 예를 들어, C/20은 20시간 동안 천천히 충전하는 것을 의미하며, C/2는 2시간 안에 충전 또는 방전하는 것을 의미한다.
- 단자 전압: 충전 및 방전 중에 일정하지 않다. 일부 유형은 방전 중에 비교적 일정한 전압을 유지하지만, 일회용 알칼리 전지와 아연-탄소 전지는 사용함에 따라 전압이 떨어진다. 반면, NiMH AA 배터리 및 AAA 전지는 1.2V로 정격되어 있으며, 알칼리 배터리보다 더 평평한 방전 곡선을 가진다.
- '''자연 방전''': 사용하지 않더라도 시간이 지남에 따라 축적된 전기가 점차 손실되는 현상이다. 자연 방전의 정도는 이차 전지의 종류나 보관 상태 등에 따라 다르다.
- '''전해질''': 전극을 연결하는 물질을 말하며, 일반적으로 산화 환원 작용이 있는 액체가 사용된다. 고체 전해질을 사용하여 안정성과 안전성을 높인 전고체 전지 연구도 활발히 진행 중이다.
- 새로운 원리의 반도체 이차 전지: 에너지 준위에 전자를 포획하여 충전하는 방식으로, 전해액이나 전해질이 필요 없는 물리 전지이다.
다음은 다양한 이차 전지의 종류와 그 특성을 비교한 표이다.
5. 이용
2차 전지는 충전 후 자가 방전으로 인해 에너지를 잃는 속도가 1차 전지에 비해 매우 높기 때문에 사용하기 전에 충전해야 한다. 구형 충전식 배터리는 자체 방전이 상대적으로 빨라 처음 사용하기 전에 충전이 필요하지만, 일부 새로운 저 자체 방전 NiMH 배터리는 수개월 동안 충전을 유지하며, 일반적으로 정격 용량의 약 70%로 충전되어 판매된다.
소형 충전식 배터리는 휴대용 전자 기기, 전동 공구, 가전 제품 등에 전력을 공급하며, 대형 배터리는 스쿠터에서 기관차 및 선박에 이르기까지 다양한 전기 자동차에 전력을 공급하고 분산 발전 및 독립형 전력 시스템에도 사용된다.
배터리 저장 발전소는 부하 평준화(수요가 적은 시간에 전력 에너지를 저장하여 피크 기간에 사용) 및 재생 에너지 사용(예: 낮 동안 태양광 발전 시스템에서 생성된 전력을 밤에 사용하기 위해 저장)을 위해 충전식 배터리를 사용한다. 부하 평준화는 발전소가 생산해야 하는 최대 전력을 줄여 자본 비용과 피크 부하 발전소의 필요성을 줄인다. Research and Markets의 보고서에 따르면, 2018년부터 2022년까지 전 세계 충전식 배터리 시장은 연평균 성장률(CAGR) 8.32%로 성장할 것으로 예측했다.[5]
일본에서는 "충전식 전지"를 줄여 '''충전지'''(じゅうでんち)라고 부르기도 하며, 제품명으로도 사용된다. 리튬 이온 배터리가 충전지라는 이름으로 판매되면서, 자동차 등에 탑재하는 대형 전지는 '''축전지''', AA 등 소형 전지는 '''충전지'''로 구분하는 경우가 생겼다. 또한, 일본어에서 '''배터리'''라는 단어는 스마트폰 등 모바일 기기나 무선 액세서리 등에 내장된 리튬 이온 배터리를 가리키는 경우가 많으며, 배터리 잔량을 의미하기도 한다. 예를 들어 "배터리가 없어졌다"는 말은 "충전이 없어졌다"와 마찬가지로 "배터리 잔량이 없어졌다(줄어들었다)"는 의미로 사용된다.
휴대 전화와 스마트폰 보급으로 인해 휴대 기기의 내장 배터리 용량이 부족한 경우가 많아졌다. 이를 위해 휴대하기 편한 형태로 USB 단자를 통해 충전 가능한 2차 전지인 '''모바일 배터리'''가 널리 사용되고 있다. "모바일 배터리"는 일본식 영어이며, 영어권에서는 "파워뱅크"(Powerbank)라고 불린다.
일본에서 모바일 배터리가 보급된 계기는 2007년 12월 산요 전기(현 파나소닉)가 출시한 『eneloop mobile booster (모바일 부스터)』였다. 2008년 iPhone 3G 출시와 2011년 동일본 대지진으로 인해 긴급 충전기로 주목받았다. 당시 경쟁 제품이 적었고, eneloop의 브랜드 파워가 강해 "모바일 배터리"하면 "모바일 부스터"라고 인식되어, "'''모바부'''"가 모바일 배터리의 약칭으로 사용될 정도였다.[62]
일본에서는 동일본 대지진의 영향으로 모바일 배터리 판매량이 크게 증가하여, 2011년 3월부터 2012년 12월까지 전년 대비 350% 이상 매출을 기록했다. 2010년 3월 판매량 대비 2013년 3월 판매량은 95.2배에 달했으며, "스마트폰의 기본 액세서리"로 자리 잡았다.[63] 2016년 포켓몬 GO의 영향으로도 판매량이 늘었다.[64] 그러나 보급과 함께 발화 등의 사고도 증가하여, 소비자청에는 2013년 6월부터 6년간 162건의 사고 정보가 접수되었다.[65] 전기용품 안전법의 규제 대상이 되었고, 2019년부터는 PSE 마크가 없는 제품의 유통이 금지되었으나,[66] 이후에도 일본 국내 기준을 충족하지 않는 해외 제조 모바일 배터리에 의한 발화 사고가 끊이지 않아 규제 강화가 검토되고 있다.[67]
보조 배터리보다 크고 대용량의 축전지를 내장하고 있으며, AC100V・DC12V・USB 등의 전원 단자를 갖춰 모바일 기기뿐만 아니라 가정용 전자기기도 사용할 수 있는 배터리를 휴대용 전원이라고 한다.
5. 1. 주요 용도
이차 전지는 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 그 중요성은 점차 커지고 있다. 주요 용도는 다음과 같다.- 휴대용 전자기기: 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC, 디지털 카메라 등 현대인의 필수품이 된 휴대용 전자기기의 전원으로 사용된다. 특히, 휴대 기기의 경우 배터리 용량이 제품의 중요한 사양이 되기도 한다.
- 전기 자동차: 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 등 친환경 자동차의 핵심 부품으로 사용된다. 기술 발전으로 인해 비용, 무게, 크기는 줄이고 수명은 늘리는 방향으로 발전하고 있다.[4]
- 에너지 저장 시스템 (ESS): 전력망 안정화, 신재생 에너지 연계, 비상 전원 공급 등을 위해 사용된다. 태양광 발전과 같은 재생 에너지로 생산된 전력을 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 한다.
- 무정전 전원 장치 (UPS): 컴퓨터, 서버 등 중요 장비의 전원 중단을 방지하기 위해 사용된다.
- 전동 공구: 드릴, 톱, 그라인더 등 전동 공구에 전원을 공급하여 작업 효율성을 높인다.
- 기타: 의료 기기, 군사 장비, 항공 우주 장비 등 다양한 분야에서 특수 목적을 위해 사용된다.
이 외에도 이차 전지는 전동 휠체어, 골프 카트, 전기 자전거, 지게차와 같은 경량 차량, 자동차 시동기, 스쿠터에서 기관차 및 선박에 이르기까지 다양한 곳에 사용된다.[4]
5. 2. 2차 전지 사용 시 주의사항
- 일회용 전지에 충전을 시도하면 전지가 폭발할 가능성이 있으니 주의해야 한다.[6]
- 리튬 이온 전지와 같은 특정 종류의 2차 전지는 완전히 충전되었을 경우 과충전의 위험이 있다.[7]
- 니켈-카드뮴 전지와 같은 다른 종류의 2차 전지는 메모리 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지 축전 용량이 줄어들 수 있으므로, 용량을 유지하기 위해 주기적으로 완전 방전해 주어야 한다.[8]
- 다중 셀 배터리가 완전히 방전되면 셀 역전 효과로 인해 손상되는 경우가 많다. 각 셀을 개별적으로 방전하거나, 각 셀의 내부 누설을 통해 시간이 지남에 따라 전하를 소멸시켜 셀 역전을 일으키지 않고 배터리를 완전히 방전하는 것이 가능하다.
- 방전된 상태로 오랫동안 방치하면 납축전지에서 발생하는 황산화 현상과 같이 손상이 발생할 수 있다.
- 배터리를 보관할 때는 충전하고 주기적으로 다시 충전하여 충전 수준을 유지하는 것이 좋으며, 보관 중 최적의 충전 수준은 일반적으로 30%에서 70% 사이이다.
- 방전 깊이(DOD)는 공칭 암페어-아워 용량의 백분율로 표시되며, 0% DOD는 방전이 없음을 의미한다.
- 리튬 배터리는 공칭 용량의 약 80~90%까지, 납축전지는 약 50~60%까지 방전될 수 있다. 반면, 흐름 전지는 100% 방전될 수 있다.[10]
6. 충전 및 방전
충전 과정에서 양극 활물질은 산화되어 전자를 방출하고, 음극 물질은 전자를 환원하여 전자를 흡수한다. 이러한 전자는 외부 회로망에서 전류 흐름을 구성한다. 전해질은 이온의 흐름에 대한 단순한 완충제 역할을 할 수 있으며, 리튬 이온 배터리, 니켈-카드뮴 축전지와 같이 전극 사이에서 이동하거나, 납축전지와 같이 전기 화학 반응에 적극적으로 참여할 수도 있다.[1]
충전식 배터리를 충전하는 데 사용되는 에너지는 일반적으로 AC 전원 공급 장치를 사용하는 배터리 충전기에서 나오지만, 일부는 차량의 12V DC 전원 콘센트를 사용할 수 있도록 장착되어 있다. 전원의 전압은 배터리에 전류가 유입되도록 하기 위해 배터리 전압보다 높아야 하지만, 너무 높으면 배터리가 손상될 수 있다.[1]
충전기는 배터리를 충전하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸린다. 전압 또는 온도 감지 기능이 없는 느린 "단순" 충전기는 낮은 속도로 충전하며, 일반적으로 완전 충전하는 데 14시간 이상이 걸린다. 급속 충전기는 일반적으로 모델에 따라 2~5시간 내에 셀을 충전할 수 있으며, 가장 빠른 것은 15분 밖에 걸리지 않는다. 급속 충전기는 유해한 과충전 또는 과열이 발생하기 전에 충전을 중지하기 위해 셀이 완전 충전에 도달하는 시기를 감지하는 여러 가지 방법(단자 전압 변화, 온도 등)을 가지고 있어야 한다. 가장 빠른 충전기는 셀의 과열을 방지하기 위해 냉각 팬을 통합하는 경우가 많다. 급속 충전을 위해 설계된 배터리 팩에는 충전기가 팩을 보호하는 데 사용하는 온도 센서가 포함될 수 있으며, 이 센서에는 하나 이상의 추가 전기 접점이 있을 것이다.[1]
배터리 화학 물질에 따라 다른 충전 방식이 필요하다. 예를 들어, 일부 배터리 유형은 정전압 소스에서 안전하게 재충전할 수 있다. 다른 유형은 배터리가 완전히 충전된 전압에 도달함에 따라 점차 감소하는 정전류 소스로 충전해야 한다. 배터리를 잘못 충전하면 배터리가 손상될 수 있으며, 극단적인 경우 배터리가 과열되어 화재가 발생하거나 내용물이 폭발적으로 배출될 수 있다.[1]
재충전 시간은 충전식 배터리로 전원을 공급받는 제품의 사용자에게 중요한 매개변수이다. 충전 전원이 장치를 작동시키고 배터리를 충전할 수 있는 충분한 전력을 제공하더라도, 장치는 충전 시간 동안 외부 전원에 연결된다. 산업적으로 사용되는 전기 자동차의 경우, 비근무 시간 동안의 충전이 허용될 수 있다. 고속도로 전기 자동차의 경우, 합리적인 시간 안에 충전하기 위해 급속 충전이 필요하다.[1]
충전식 배터리는 임의로 높은 속도로 재충전할 수 없다. 배터리의 내부 저항은 열을 발생시키고, 과도한 온도 상승은 배터리를 손상시키거나 파괴한다. 일부 유형의 경우, 최대 충전 속도는 활성 물질이 액체 전해질을 통해 확산될 수 있는 속도에 의해 제한된다. 높은 충전 속도는 배터리 내에 과도한 가스를 생성하거나, 배터리 용량을 영구적으로 감소시키는 손상성 부반응을 일으킬 수 있다. 매우 대략적으로, 그리고 많은 예외와 주의 사항을 고려할 때, 한 시간 이내에 배터리의 전체 용량을 복원하는 것은 급속 충전으로 간주된다. 배터리 충전기 시스템은 느린 재충전을 위해 설계된 충전기보다 급속 충전을 위한 더 복잡한 제어 회로 및 충전 전략을 포함한다.[1]
7. 수명 및 재활용
배터리는 반복적으로 사용하면 충전 횟수가 늘어남에 따라 용량이 줄어들어 결국 수명이 다하게 된다. 배터리 시스템에 따라 마모되는 방식이 다르다. 예를 들어 납축전지는 활성 물질이 각 충전/방전 과정에서 완전히 복원되지 않아 시간이 지남에 따라 손실되어 용량이 감소한다. 리튬 이온 배터리의 경우, 특히 과방전 시 충전 과정에서 일부 반응성 리튬 금속이 형성되어 다음 방전 과정에 참여할 수 없게 된다. 밀폐형 배터리는 과충전되거나 고온에서 작동하면 액체 전해질의 수분이 손실되어 수명이 단축된다.[11]
이차 전지는 사용하지 않아도 시간이 지나면서 저장된 전기가 점차 손실되는 '''자연 방전''' 현상이 발생하므로, 장기간 보관 후에는 사용 전에 충전하는 것이 좋다.
자원 유효 이용 촉진법에 따라 소형 이차 전지 및 사용 제품은 사업자가 자율적으로 회수하여 재활용해야 한다. [https://www.jbrc.com/ JBRC]는 소형 이차 전지의 공동 회수 체계를 운영하며, 회원사 제품은 협력점·협력 자치단체에서 회수되어 재활용된다.
자동차용 납축전지는 [http://www.sbra.or.jp/ SBRA](납축전지 재자원화 협회)가 회수 및 재활용을 담당한다.
이차 전지를 매장이나 지자체 회수 거점에 반입할 때는 단락 방지 조치를 해야 한다.
레드우드 머티리얼즈와 같은 전지 재활용 업체는 리튬 이온 배터리 재활용을 전문으로 한다.
이차 전지는 항공 운송 시 「항공기에 의한 폭발물 등의 수송 기준 등을 정하는 고시」의 제약을 받으며, 전지만을 항공 수송하는 것은 불가능하다.[71]
- 충전기의 방전 기능을 사용하거나, 기기의 전원이 꺼질 때까지 켜두어 완전 방전 후 재활용하는 것이 좋다.
8. 관련 연구 및 개발 동향
화학 전지에서는 충전과 방전을 하기 위해 금속이 산화, 환원하는 이온화 경향을 이용하여 산화 환원 전위를 발생시킨다. 전극을 연결하는 물질을 전해질이라고 한다. 일반적으로 산화 환원 작용이 있는 액체가 사용된다. 고체 전해질로 양극과 음극을 연결하여 안정적이고 안전한 전지를 만들 수 있다는 연구가 진행되고 있으며, 이 전지를 전고체 전지라고 부른다. 최근에는 전고체 전지가 차세대 전지로 주목받고 있다.
새로운 원리의 반도체 이차 전지는 에너지 준위에 전자를 포획하여 충전한다. 전고체 이차 전지이며 전해액, 전해질 자체가 필요 없다(화학 전지가 아닌 물리 전지에 속한다).
참조
[1]
뉴스
EU approves 3.2 billion euro state aid for battery research
https://www.reuters.[...]
Reuters
2019-12-09
[2]
웹사이트
StackPath
https://www.tdworld.[...]
2019-11-05
[3]
웹사이트
The battery decade: How energy storage could revolutionize industries in the next 10 years
https://www.cnbc.com[...]
2019-12-30
[4]
서적
Handbook of Batteries
McGraw-Hill
2002
[5]
웹사이트
Global Rechargeable Battery Market 2018–2022
https://www.research[...]
researchandmarkets.com
2018-04
[6]
서적
Solid state batteries
https://books.google[...]
North Atlantic Treaty Organization
[7]
간행물
Nickel-Cadmium Battery Cell Reversal from Resistive Network Effects: Computer simulations of short-down on a variety of battery configurations
http://oai.dtic.mil/[...]
AEROSPACE CORP EL SEGUNDO CA CHEMISTRY AND PHYSICS LAB.
[8]
웹사이트
NiCd Batteries do NOT have "memory"
http://www.repairfaq[...]
1996-09-24
[9]
서적
Handbook of Batteries
[10]
웹사이트
Solar Batteries: Are They Worth It?
https://www.pulseele[...]
2020-02-19
[11]
논문
Battery management strategies: An essential review for battery state of health monitoring techniques
https://www.scienced[...]
2022-07-01
[12]
서적
High Energy Density Lithium Batteries: Materials, Engineering, Applications
Wiley-VCH
2010
[13]
뉴스
Samsung's Recall – The Problem with Lithium Ion Batteries
https://www.nytimes.[...]
2016-09-21
[14]
웹사이트
Lithium Batteries: The Pros and Cons
http://electronics36[...]
2015-08-04
[15]
웹사이트
all-battery.com: Lithium Polymer Batteries
http://www.all-batte[...]
[16]
웹사이트
Tattu R-Line 4S 1300mah 95~190C Lipo Pack
http://www.genstattu[...]
Genstattu.com
[17]
웹사이트
Lithium Polymer Charging/Discharging & Safety Information
https://www.maxamps.[...]
2017
[18]
웹사이트
Batteries – LiPo
http://www.trakpower[...]
Hobbico, Inc.
[19]
웹사이트
Battery Guide: The Basics of Lithium-Polymer Batteries
http://www.tested.co[...]
Whalerock Industries
2015-03-05
[20]
논문
Alternative strategy for a safe rechargeable battery
Energy and Environmental Science
2016-12-09
[21]
웹사이트
Lithium_Sulfur
http://www.polyplus.[...]
[22]
뉴스
Solar plane makes record flight
http://news.bbc.co.u[...]
2008-08-24
[23]
간행물
Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives
https://www.osti.gov[...]
U.S. Department Of Energy
2019-01-01
[24]
웹사이트
Patent 6358643
http://www.polyplus.[...]
PolyPlus.com website
[25]
웹사이트
Research News: A longer life for lithium–sulfur batteries
http://www.fraunhofe[...]
2013-04
[26]
웹사이트
How to Make a Cheap Battery for Storing Solar Power | MIT Technology Review
http://www.technolog[...]
Technologyreview.com
2014-02-18
[27]
웹사이트
the Company
http://www.excellatr[...]
Excellatron
[28]
논문
The developments and challenges of cerium half-cell in zinc–cerium redox flow battery for energy storage
2013
[29]
웹사이트
Vanadium Redox Battery
http://www.vrb.unsw.[...]
Vrb.unsw.edu.au
[30]
문서
broken link
http://arquivo.pt/wa[...]
[31]
웹사이트
The Vanadium Advantage: Flow Batteries Put Wind Energy in the Bank
http://www.ehponline[...]
[32]
문서
Avalon Battery Vanadium Flow Battery
https://www.avalonba[...]
[33]
웹사이트
Sumitomo considering marketing new lower-temperature molten-salt electrolyte battery to automakers for EVs and hybrids
http://www.greencarc[...]
Green Car Congress
2011-11-11
[34]
웹사이트
mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
http://www.mpoweruk.[...]
[35]
웹사이트
EVWORLD FEATURE: Fuel Cell Disruptor – Part 2:BROOKS FUEL CELL | CARB | ARB | HYDROGEN | ZEBRA | EV | ELECTRIC
http://www.evworld.c[...]
Evworld.com
[36]
웹사이트
Design and Performance of Large Format Nickel-Zinc Batteries
https://www.powersou[...]
2024-07-27
[37]
웹사이트
Study of secondary battery semiconductor
http://www.hiroshima[...]
Hiroshima University
2011-11-25
[38]
웹사이트
Notice of the development of mass production technology of Secondary battery "battenice" based on quantum technology
http://www.mjc.co.jp[...]
MICRONICS JAPAN
2013-11-19
[39]
논문
Liquid electrolyte lithium/sulfur battery: Fundamental chemistry, problems, and solutions
[40]
간행물
Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives
https://www.osti.gov[...]
U.S. Department Of Energy
2021-03-15
[41]
뉴스
Zeta Energy Announces Graphite-Free and Cobalt-Free Batteries on Target to Reach 450 Wh/kg and Over One Thousand Cycles by 2025
https://www.prnewswi[...]
PR Newswire
2023-11-16
[42]
서적
Lithium-Sulfur Batteries: Materials, Challenges and Applications
Elsevier
2022
[43]
웹사이트
Excellatron
http://www.excellatr[...]
Excellatron
2012-08-14
[44]
웹사이트
the Company
http://www.excellatr[...]
Excellatron
2012-08-14
[45]
웹사이트
Life Cycle Testing and Evaluation of Energy Storage Devices
http://www.sandia.go[...]
2014-12-26
[46]
논문
Potassium Secondary Batteries
2017
[47]
서적
Illustrated Guide to the NEC
https://books.google[...]
Cengage Learning
[48]
웹사이트
Capacitor-powered electric screwdriver, 2007
http://www.ohgizmo.c[...]
Ohgizmo.com
2012-08-14
[49]
웹사이트
Welcome to City Labs
http://citylabs.net/
[50]
웹사이트
超级电容公交车专题 (Super capacitor buses topics)
https://web.archive.[...]
2006-08
[51]
뉴스
新しいIoTデバイスの実用化のためにバッテリーの開発を加速――ソフトバンクが「次世代電池Lab.」を公開
https://www.itmedia.[...]
2021-11-09
[52]
웹사이트
蓄電池とは
https://kotobank.jp/[...]
2021-01-11
[53]
간행물
半導体二次電池（グエラバッテリー）の新規開発
http://www.hiroshima[...]
広島大学
[54]
문서
mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
http://www.mpoweruk.[...]
[55]
웹사이트
アーカイブされたコピー
http://www.werbos.co[...]
2007-11-05
[56]
문서
phantom hub motors, LiFePO4 batteries, electric bike kits, electric scooters
http://www.falconev.[...]
[57]
웹사이트
Zero Emission Vehicles Australia
http://zeva.com.au/t[...]
[58]
문서
Excellatron - the Company
http://www.excellatr[...]
[59]
문서
Vanadium Redox Battery
http://www.vrb.unsw.[...]
[60]
문서
http://www.betard.co[...]
[61]
문서
EVWORLD FEATURE: Fuel Cell Disruptor - Part 2:BROOKS | FUEL CELL | CARB | ARB | HYDROGEN | ZEBRA | EV | ELECTRIC
http://www.evworld.c[...]
[62]
뉴스
モバイルバッテリーを略して「モバブ」──“ブ”って何？
https://www.itmedia.[...]
2021-11-09
[63]
뉴스
広がるスマホ用モバイルバッテリ市場…定番アクセサリに昇格
https://www.yomiuri.[...]
2021-11-09
[64]
웹사이트
デジタル：モバイルバッテリーで備え
https://mainichi.jp/[...]
毎日新聞（2019年1月15日作成）
2019-04-22
[65]
PDF
モバイルバッテリーの事故に注意しましょう!
https://www.caa.go.j[...]
消費者庁
2023-02-22
[66]
PDF
モバイルバッテリーの規制対象化について
https://www.meti.go.[...]
経済産業省
2023-02-22
[67]
뉴스
違法なモバイルバッテリーの発火相次ぐ、大半は安価な海外製…電車内で「ボン」と爆発音
https://www.yomiuri.[...]
2023-08-17
[68]
문서
ただし、USB 1.x/2.0/3.x（標準）までの事情であり、USB Battery Charging (BC 1.2)/Type-C/Power Delivery 等の標準化、一部製品化はなされている。
[69]
문서
1.x/2.0で500mA、3.xで900mA（いずれも給電拡張無しの標準タイプ）
[70]
웹사이트
制限のあるお手荷物
https://www.jal.co.j[...]
[71]
서적
リチウム電池を内容とする郵便物等の取扱いについて
http://www.post.japa[...]
日本郵便
2015-07-30
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