전지

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 벤자민 프랭클린이 처음 "배터리"라는 용어를 사용했다. 알레산드로 볼타는 최초의 전기화학 전지인 볼타 전지를 발명했으며, 존 프레드릭 다니엘은 실용적인 전지인 다니엘 전지를 개발했다. 전지는 화학 전지, 물리 전지, 생물 전지로 분류되며, 1차 전지와 2차 전지로 나뉜다. 전압, 용량, 에너지 밀도, 방전 특성 등이 전지의 성능을 결정하며, 수명과 안전성, 법규 및 규제 또한 중요한 요소이다. 최근에는 리튬이온 전지를 대체할 차세대 전지 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

18세기 발명품 - 백신
백신은 약화된 병원체나 일부를 활용하여 인체의 면역계를 활성화, 특정 질병에 대한 항체 생성을 유도하는 의약품으로 감염병 예방에 효과적이지만, 부작용 발생 가능성과 효과의 다양성, 백신 거부와 오해로 인한 접종률 저하 및 감염병 확산의 위험이 존재하며, 지속적인 연구개발을 통해 안전성과 효능이 향상되고 새로운 기술을 이용한 백신들이 개발되고 있다.
18세기 발명품 - 섭씨
섭씨는 켈빈에서 273.15를 뺀 값으로 정의되는 국제단위계의 온도 단위로, 켈빈과 함께 사용되며 켈빈 1도와 크기가 같고, 안데르스 셀시우스의 이름을 땄으며, 온도와 온도 간격, 변화량 표시에 사용되고 화씨, 켈빈 등 다른 온도 단위로 환산이 가능하다.
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.
이탈리아의 발명품 - 라디오
라디오는 전파를 이용해 음성 정보를 무선으로 송수신하는 기술 및 장치로, 아날로그 방송에서 디지털 방송과 인터넷 라디오 등으로 발전했으며, 방송, 통신, 위치 측정 등 다양한 분야에 활용되고 주파수 대역과 변조 방식에 따라 구분되며 국제적으로 주파수 관리를 받는다.
이탈리아의 발명품 - 율리우스력
율리우스력은 율리우스 카이사르가 제정한 역법으로, 365일의 평년과 366일의 윤년으로 구성되며, 태양년과의 오차로 인해 그레고리력으로 대체되었으나, 현재는 일부 지역에서 사용된다.

전지
전지 정보
다양한 셀과 전지 (위-왼쪽부터 아래-오른쪽): AA 2개, D 1개, 휴대용 햄 라디오 전지 1개, 9볼트(PP3) 1개, AAA 1개, C 1개, 캠코더 전지 1개, 무선 전화 전지 1개
종류	전원
작동 원리	전기화학반응, 전동력
발명가	알레산드로 볼타
발명 연도	1800
기호	[[파일:Battery symbol2.svg\|110px]]
설명	회로도에서 전지 기호. 가장 초기의 전지 형태인 볼타 전지의 개략도에서 유래되었다.
설명
정의	하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는 전원 장치
전기화학 셀	화학 에너지와 전기에너지 사이의 전환을 제공하는 장치
작동 원리	화학 반응을 통해 전기를 생성
기타
관련 정보	전기, 화학, 에너지

2. 역사

벤저민 프랭클린은 1749년 여러 개의 라이덴 병 축전기를 연결하여 전기 실험을 하던 중 처음으로 "배터리"라는 용어를 사용했다.^[4] 1800년 알레산드로 볼타는 최초의 전기화학 전지인 볼타 전지를 만들었다.^[6] -- --

1836년 영국의 화학자 존 프레드릭 다니엘은 다니엘 전지를 발명했는데, 이는 전신 네트워크의 전원으로 널리 채택될 정도로 실용적이었다.^[10] 19세기 말에는 액체 전해질 대신 페이스트 형태의 전해질을 사용한 건전지가 발명되어 휴대용 전기 기기가 실용화되었다.^[12]

이후 여러 종류의 전지들이 발명되었다. 주요 내용은 다음과 같다.

발명 년도	발명가(국적)	발명품
기원전 250년경	(이라크)	바그다드 전지 (실제 전지인지 불분명)
1791년	루이지 갈바니(이탈리아)	갈바니 전지
1800년	알레산드로 볼타(이탈리아)	볼타 전지
1802년	요한 빌헬름 리터(독일)	소형 1차 전지
1812년	주세페 잠보니(이탈리아)	잠보니 전지
1836년	존 프레드릭 다니엘(영국)	다니엘 전지
1866년	조르주 르클랑셰(프랑스)	르클랑셰 전지(망간 건전지의 원형)
1881년	쥘 알포케 티에보	아연 용기에 음극과 다공성 용기의 역할을 모두 갖도록 한 최초의 전지 특허 취득
1887년	칼 가스너(독일)	건전지 특허
1899년	발데마르 융너(스웨덴)	니켈-카드뮴 축전지
1900년	토마스 에디슨(미국)	니켈-철 축전지
1959년	에버레디(미국)	알칼리 건전지
1985년	존 구디너프(미국), 라시드 야자미(프랑스), 요시노 아키라(일본) 등	리튬이온전지 발명
1991년	니시 미오 등 (소니)	리튬이온전지 세계 최초 상품화
2019년	여러 대학 및 기업 연구기관	소형 전고체전지 실용화^[95]
2023년	여러 대학 및 기업 연구기관	대용량 전고체전지 실용화^[96]

2. 1. 한국의 전지 개발사

1849년 사쿠마 쇼잔이 네덜란드의 쇼메르 백과사전을 참고하여 다니엘 전지를 제작하였는데, 이것이 한국 최초의 전지 제작 사례로 기록된다. 1887년에는 야이 센조가 건전지를 발명하였다.

3. 전지의 종류

전지는 크게 화학 전지, 물리 전지, 생물 전지로 분류할 수 있다.

화학 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 전지이다. 1800년 알레산드로 볼타가 발명한 볼타 전지가 그 시초이다.^[6] 화학 전지는 다시 1차 전지와 2차 전지로 나뉜다. 1차 전지는 한 번 사용 후 재충전이 불가능한 전지이고, 2차 전지는 충전을 통해 반복 사용이 가능한 전지이다.^[29] ^[30]

위에서 아래로: 4.5볼트 3R12 배터리, D형 전지, C형 전지, AA형 건전지, AAA형 건전지, AAAA형 전지, A23형 건전지, 9볼트 PP3 배터리, 버튼 전지 2개 (CR2032 및 LR44)

1차 전지^[29]
화학 구조	음극 (−)	양극 (+)	최대 전압 (V)	공칭 전압 (V)	비에너지 (kJ/kg)	설명	수명 (개월)
아연-탄소 전지	Zn	C	1.6	1.2	130	저렴함.	18
아연-염화물 전지	Zn	C	1.5			"중부하"용, 저렴함.
알칼라인 건전지	Zn	MnO₂	1.5	1.15	400–590	중간 에너지 밀도, 고방전/저방전 용도에 적합.	30
수산화니켈 전지			1.7			중간 에너지 밀도, 고방전 용도에 적합.
리튬 전지 (Li–CuO)	Li	CuO	1.7			생산 중단, 산화은 전지로 대체됨.
리튬 전지 (LiFeS₂)	Li	FeS₂	1.8	1.5	1070	고가, 플러스 또는 엑스트라 배터리에 사용.	337^[47]
리튬 전지 (LiMnO₂)	Li	MnO₂	3.0		830–1010	고가, 자체 방전율이 낮아 고방전/긴 수명 장치에 사용.
리튬 전지 (Li–(CF)_n)	Li	(CF)_n	3.6	3.0			120
리튬 전지 (Li–CrO₂)	Li	CrO₂	3.8	3.0			108
리튬-실리콘 전지	Li₂₂Si₅
수은 전지	Zn	HgO	1.34	1.2		고방전, 일정 전압, 건강 문제로 대부분 국가에서 금지.	36
아연-공기 전지	Zn	O₂	1.6	1.1	1590^[48]	주로 보청기에 사용.
볼타 전지	Zn	Ag 또는 Au		0.8		매우 긴 수명, 매우 낮은 전류 (nA).	>2,000
산화은 전지	Zn	Ag₂O	1.85	1.5	470	매우 고가, 버튼 전지로만 사용.	30
마그네슘 전지	Mg	MnO₂	2.0	1.5			40

2차 전지^[30]
화학 구조	전압 (V)	비에너지 (kJ/kg)	에너지 밀도 (kJ/L)	설명
니켈-카드뮴 전지	1.2	140		저렴, 고방전/저방전, 중간 에너지 밀도, 높은 방전율, 자체 방전율 중간, 카드뮴 환경 문제.
납축전지	2.1	140		중간 가격, 중간 에너지 밀도, 중간 자체 방전율, 높은 방전율은 용량 손실, 납 환경 문제, 자동차 배터리.
니켈-금속 수소화물 전지	1.2	360		저렴, 고방전 장치에서 알칼리 전지보다 성능 우수, 높은 에너지 밀도/높은 자체 방전율, 낮은 자체 방전율/낮은 에너지 밀도, 일부 자동차에 사용.
니켈-아연 전지	1.6	360		중간 가격, 고방전 장치, 낮은 자체 방전율, 알칼라인 1차 전지에 가까운 전압, 무독성, 2009년 도입, 크기 제한.
AgZn	1.86/1.5	460		리튬이온보다 작음, 매우 고가, 높은 에너지 밀도, 높은 방전율, 은 가격으로 구식, 산화, 안정적 전압, 70~80% 충전 시 1.5V로 급락, 달 탐사선, 리튬이온 대체 개발 중.
LiFePO₄	3.3/3.0	360	790	리튬-철-인산염 화학 구조.
리튬이온 전지	3.6	460		매우 고가, 높은 에너지 밀도, 노트북, 카메라, 휴대전화에 사용, 낮은 자체 방전율, 4.2V~3.0V 전압 변화, 단락/과열/품질 문제 시 폭발 가능성.

물리 전지는 빛이나 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지이다. 태양 전지와 원자력 전지 등이 이에 해당한다.

생물 전지는 생물체의 활동으로 얻어지는 화학 에너지를 이용하는 전지이다.

3. 1. 화학 전지

화학 전지는 물질 자체가 가진 화학 에너지를 화학 반응을 통해 직류 전력으로 변환하는 전지이다. 벤저민 프랭클린은 1749년, 여러 개의 라이덴 병 축전기를 연결하여 전기 실험을 하던 중 처음으로 "배터리"라는 용어를 사용했다.^[4] 알레산드로 볼타는 1800년 최초의 전기화학 전지인 볼타 전지를 만들었다.^[6]

화학 전지는 크게 1차 전지, 2차 전지, 연료 전지로 분류할 수 있다.

'''1차 전지''': 한 번 사용 후 재사용이 불가능한 전지이다. (예: 망간 건전지, 알칼리망간 건전지, 리튬 전지)
'''2차 전지''': 충전을 통해 반복 사용이 가능한 전지이다. (예: 납축전지, 리튬이온이차전지, 니켈수소전지)
'''연료 전지''': 연료와 산화제의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 전지이다. (예: 고체 고분자형 연료전지, 고체 산화물 연료전지)

3. 1. 1. 1차 전지

1차 전지는 에너지가 소진될 때까지 사용한 후 버리는, 재충전할 수 없는 전지이다. 1차 전지의 화학 반응은 일반적으로 가역적이지 않으므로,^[29] 반응물이 고갈되면 전류를 생성할 수 없게 된다. 1차 전지는 보통 재충전지보다 에너지 밀도가 높지만,^[33] 75옴(75 Ω) 미만의 부하가 걸리는 고방전 응용 분야에서는 성능이 좋지 않다.

1차 전지 중 전해질을 부직포(세퍼레이터)에 적셔 고체화한 것은 일반적으로 건전지라고 부른다. 전지 잔량 측정기로 잔량을 측정할 수 있는 것도 있다.

1차 전지의 종류는 다음과 같다.

망간 건전지
알칼리망간 건전지
니켈계 1차 전지
옥시라이드 건전지 (파나소닉(구 마쓰시타전기산업)의 상품명으로, 니켈망간전지에 포함된다.)
산화은 전지
수은 전지
공기아연 전지
리튬 전지
해수 전지
레몬 전지

3. 1. 2. 2차 전지

'''이차 전지'''는 충전을 통해 반복 사용이 가능한 전지로, 축전지 또는 충전식 전지라고도 불린다. 이차 전지의 종류는 다음과 같다.

납축전지
리튬이온이차전지
니켈수소전지
니켈카드뮴전지
나트륨황전지
니켈아연전지
산화은전지
레독스흐름전지
전고체전지

3. 1. 3. 연료 전지

연료 전지는 메탄올, 천연가스, 수소 등의 연료를 촉매를 이용하여 발전하는 발전 장치이다.^[40] 반응에 고온을 필요로 하는 경우가 많다. 사용하는 전해질과 연료의 종류에 따라 다음 5가지로 분류된다.

종류	설명	사용 온도
인산형 연료전지 (PAFC)	전해질에 인산을 사용	100℃~1,000℃의 중온 영역
고체 고분자형 연료전지 (PEFC)	전해질에 물을 포함하는 고분자를 사용	100℃ 부근의 저온 영역
용융 탄산염형 연료전지 (MCFC)	전해질에 용융된 알칼리 금속의 탄산염을 사용	100℃~1,000℃의 중온 영역
고체 산화물형 연료전지 (SOFC)	전해질에 산소 이온 전도성 세라믹을 사용	1,000℃ 부근의 고온 영역
직접 메탄올형 연료전지 (DMFC)	연료에 메탄올을 사용	해당사항 없음

3. 2. 물리 전지

물리 전지는 빛이나 열과 같은 물리적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지이다.

물리 전지의 분류는 다음과 같다.

태양 전지: 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로, '광전지'라고도 불린다.
열전지: 열 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지이다.
원자력 전지: 방사성 동위원소가 방사성 붕괴를 일으킬 때 발생하는 원자력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지이다.

3. 3. 생물 전지

생물 전지는 생물체의 활동으로 얻어지는 화학 에너지를 이용하는 전지이다. 바이오전지라고도 한다.

4. 화학 전지의 기본 구성

화학 전지는 기본적으로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다.

'''양극''' : 전자를 받아들이는 환원 반응이 일어나는 곳이다. 이산화망간, 산화은 등이 양극 활물질로 사용된다.^[90]
'''음극''' : 전자를 내놓는 산화 반응이 일어나는 곳이다. 아연, 리튬 등이 음극 활물질로 사용된다.^[90]
'''전해질''' : 이온의 이동을 통해 전류를 흐르게 하는 물질이다. 염화암모늄, 수산화칼륨 등이 사용된다. 전해질은 이온 전도도가 높고, 전기분해되지 않는 넓은 "전위창"을 가지며, 활물질 등에 대해 화학적으로 안정적이어야 한다.^[91]
'''분리막''' : 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막고, 이온의 이동을 돕는 다공성 막이다. "격막"이라고도 불리며, 열이나 응력에 대한 내구성과 화학적 안정성이 요구된다.
'''용기''' : 전지 내부 물질을 담고 보호하는 역할을 한다. 기계적으로 튼튼하고 내약품성이 뛰어난 재료가 사용된다.

전극은 "집전체"라고도 불리며, 활물질은 전지 반응의 중심 역할을 하는 물질로, 전자를 주고받는 산화/환원 반응을 한다.^[90] 실제로는 활물질, 분산제, 레벨링제, 도전제, 바인더(결합제) 등이 혼합된 슬러리 형태의 페이스트("합재" 또는 "믹스처")가 사용된다. 전극은 전기전도도가 높고, 활물질 및 전해액에 대해 화학적으로 안정적이어야 하며, 활물질은 화학당량이 작은 것이 바람직하다. 출력되는 전압은 두 전극 전압의 차이가 주요 요소이므로, 양극 활물질은 전극 전위가 높고, 음극 활물질은 전극 전위가 낮은 것이 좋다.

4. 1. 표준 전극 전위

표준 전극 전위는 각 활물질의 전극 전위를 나타내는 지표로, 전지의 기전력을 결정하는 중요한 요소이다.^[92] 표준 상태(25℃, 활동도 1)에서 측정되며, 네른스트 식을 통해 농도 및 온도에 따른 전극 전위 변화를 계산할 수 있다.^[93] 표준 상태는 25℃에서 활동도가 1인 상태를 의미한다. 활동도가 1이란, 고체와 액체는 전체량, 기체는 1기압, 용액은 몰농도가 활동도에 해당한다.

음극	전극 전위 (V)	양극	전극 전위 (V)
Li⁺/Li	-3.040	Cu²⁺/Cu	0.347
Zn²⁺/Zn	-0.763	Fe³⁺/Fe²⁺	0.771
Cd²⁺/Cd	-0.403	Br₂/Br^-	1.087
Pb²⁺/Pb	-0.126	O₂/H₂O	1.229
CdSO₄/Pb	-0.355	Ce⁴⁺/Ce³⁺	1.61
H⁺/H₂	-0.000	PbO₂/PbSO₄	1.685
H₂SO₃/CH₃OH	0.044	MnO₂/MnOOH	0.15
ZnSO₂^2-/Zn	-1.22	Ag₂O/Ag	0.342
H₂/OH^-	-0.828	O₂/OH^-	0.342
Cd(OH)₂/Cd	-0.825	NiOOH/Ni(OH)₂	0.49

5. 화학 전지의 성능

화학 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 방출되는 전기 에너지는 전기화학 반응을 겪는 금속, 산화물, 분자의 응집^[17] 또는 결합 에너지의 차이로 나타난다. 예를 들어 전이 금속과 달리 d-전자 결합으로 안정화되지 않는 고에너지 금속인 Zn(아연) 또는 Li(리튬)에 에너지를 저장할 수 있다. 전지는 에너지 적으로 유리한 산화환원 반응이 회로의 외부 부분을 통해 전자가 이동할 때만 일어나도록 설계된다.

실험용 볼타 전지. 이 예시에서 두 반쪽 전지는 이온의 이동을 허용하는 염다리로 연결되어 있다.

전지는 여러 개의 볼타 전지로 구성된다. 각 전지는 금속 양이온을 포함하는 전도성 전해질에 의해 직렬로 연결된 두 개의 반쪽 전지로 구성된다. 한 반쪽 전지는 전해질과 음극, 즉 음이온(음으로 대전된 이온)이 이동하는 전극을 포함하고, 다른 반쪽 전지는 전해질과 양극, 즉 양이온(양으로 대전된 이온)이 이동하는 전극을 포함한다. 양이온은 음극에서 환원되고(전자가 추가됨), 금속 원자는 양극에서 산화된다(전자가 제거됨).^[18] 일부 전지는 각 반쪽 전지에 대해 다른 전해질을 사용하며, 이 경우 전해질의 혼합을 방지하면서 이온이 반쪽 전지 사이를 흐르도록 하여 전기 회로를 완성하기 위해 분리기를 사용한다.

각 반쪽 전지는 표준에 대한 기전력(볼트 단위로 측정)을 갖는다. 전지의 순 기전력은 반쪽 전지의 기전력 차이이다.^[19]

전기 전도성이 충분한 이온을 가진 거의 모든 액체 또는 습한 물체는 전지의 전해질 역할을 할 수 있다. 레몬,^[26] 감자^[27] 등에 서로 다른 금속으로 만든 두 개의 전극을 삽입하여 소량의 전기를 생성할 수 있다.

볼타 전지는 두 개의 동전(니켈과 페니와 같이)과 소금물에 적신 종이 타월 한 조각으로 만들 수 있다. 이러한 전지는 매우 낮은 전압을 생성하지만, 많은 수를 직렬로 쌓으면 짧은 시간 동안 일반 배터리를 대체할 수 있다.^[28]

전지의 특성은 내부 화학 작용, 전류 소모 및 온도를 포함한 여러 요인으로 인해 부하 사이클, 충전 사이클 및 수명 동안 다양하게 변할 수 있다. 저온에서는 배터리가 많은 전력을 공급할 수 없다. 따라서 추운 지역에서는 일부 자동차 소유자가 자동차 배터리를 따뜻하게 유지하는 소형 전기 히터 패드인 배터리 워머를 설치한다.

2017년, 리튬이온 배터리 발명가 존 구드이너프가 이끄는 팀은 새로운 유형의 고체 전지를 개발하여 "휴대용 모바일 장치, 전기 자동차 및 정지형 에너지 저장을 위한 더 안전하고, 더 빠르게 충전되고, 더 오래 지속되는 충전식 배터리로 이어질 수 있다"고 발표했다.^[35]

소니는 생물체에서 관찰되는 과정과 유사한 방식으로 설탕으로부터 전기를 생성하는 생물 배터리를 개발했다.^[37]

전압, 에너지 밀도, 가연성, 사용 가능한 전지 구조, 작동 온도 범위 및 수명과 같은 많은 중요한 전지 특성은 배터리 화학 물질에 따라 결정된다.^[46]

5. 1. 전압

전지의 전압은 양극과 음극 사이의 전위차로 결정된다.^[19] 전극의 기전력이

\mathcal{E}_1

및

\mathcal{E}_2

인 경우, 전지의 순 기전력은

\mathcal{E}_{2}-\mathcal{E}_{1}

이다.^[20] 단자에 걸리는 전기 구동력

\displaystyle{\Delta V_{bat}}

는 ''단자 전압''이라고 하며 볼트 단위로 측정된다.^[21]

충전 또는 방전되지 않는 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압이라고 하며, 이는 전지의 기전력과 같다. 그러나 내부 저항 때문에 방전 중인 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압보다 작고, 충전 중인 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압보다 크다.^[22]^[23]

전지 단자에 걸리는 전압은 전극과 전해질의 화학 반응으로 인한 에너지 방출에 따라 달라진다. 예를 들어, 알칼리 및 아연-탄소 전지는 약 1.5볼트, NiCd 및 NiMH 전지는 약 1.2볼트의 기전력을 갖는다.^[24] 리튬 화합물 반응의 높은 전기화학적 전위 변화는 리튬 전지에 3볼트 이상의 기전력을 제공한다.^[25]

전지에 아무것도 연결되지 않은 상태의 단자 전압은 "기전력"이며, 전류가 흐르면 "분극" 현상으로 인해 단자 전압이 낮아진다. 이 차이를 "과전압"이라고 하며, 내부 저항에 의해 발생한다. 과전압은 저항 과전압, 활성화 과전압, 농도 과전압의 세 가지로 구성된다.^[94]

전지의 단자 전압은 사용 온도, 연결 대상의 저항 값, 전류 값, 전지 잔량 등에 따라 변동한다. 따라서 제조사는 "공칭 전압"을 정하여 제공한다.
주요 전지의 공칭 전압^[93]

1차 전지
종류	공칭 전압 (V)
망간 건전지	1.5
알칼리 망간 건전지	1.5
산화은 전지	1.55
공기 아연 전지	1.4
흑연불화리튬 1차 전지	3
염화티오닐리튬 1차 전지	3.6

2차 전지
종류	공칭 전압 (V)
납축전지	2.0
니켈 카드뮴 축전지	1.2
니켈 수소 축전지	1.2
전고체 전지	2.3
리튬이온 축전지	3.7
코발트티탄리튬 2차 전지	3.0

2차 전지는 "최대 충전 전압"을 초과하여 충전하면 "과충전"되어 전지가 손상될 수 있다. 1차 및 2차 전지 모두 "방전 종지 전압" 이하로 방전하면 "과방전"되어 전지가 열화된다.^[93]

5. 2. 용량

전지가 공급할 수 있는 총 전력량을 전지의 용량이라고 한다. 전지의 용량은 Ah(암페어시) 또는 mAh(밀리암페어시) 단위로 표시된다.^[93] 예를 들어, 720mAh로 표기된 전지는 720mA의 전류를 1시간, 360mA를 2시간 정도 지속할 수 있을 것으로 예상된다.^[93]

전지의 용량은 기본적으로 활물질의 종류와 양에 따라 결정된다. 이는 파라데이의 전기분해 법칙에 의해 결정되는데, 1그램 당량의 물질이 석출되는 데 필요한 전기량은 물질의 종류에 관계없이 일정하며, 이는 파라데이 상수(약 96,500 C/mol)과 같다.^[93] 전지의 용량은 1시간에 방전하여 다 써 버리는 경우를 가정한 전류량으로 표시되는 것이 일반적이다.^[93]

전지의 용량은 활물질의 종류와 양 외에도 방전 속도, 온도 등에 따라 달라진다. 실제로는 반응하지 않고 남는 물질도 있기 때문에 계산상의 성능과 차이가 발생한다.^[93]

주요 활물질의 무게당 및 부피당 용량은 아래 표와 같다. 일반적으로 전지는 가볍고 용량이 작은 것이 바람직하며, 무게당 및 부피당 용량은 전지 성능의 지표로 중요하다.^[93]

음극	용량
음극	Ah/g	Ah/cm³
Li(고체)	3.86	2.06
Al(고체)	2.98	8.06
Na(고체)	1.17	1.08
Fe(고체)	0.96	7.52
Zn(고체)	0.82	5.85
Cd(고체)	0.48	4.12
Pb(고체)	0.26	2.93
CH₃OH(액체)	5.02	3.97
H₂(기체)	26.3	0.00216

양극	용량
양극	Ah/g	Ah/cm³
(CF)_n(고체)	0.86	2.56
Ag₂O(고체)	0.43	3.24
MnO₂(고체)	0.31	1.55
NiOOH(고체)	0.29	2.03
Li_(0-1)CoO₂(고체)	0.27	2.89
PbO₂(고체)	0.22	2.10
Li_(0-1)Mn₂O₂(고체)	0.15	0.74
SOCl₂(액체)	0.60	0.98
O₂(기체)	3.36	0.00439

5. 3. 에너지 밀도

에너지 밀도는 전지의 단위 무게 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지 양을 나타내는 지표이다. 중량 에너지 밀도(Wh/kg)와 체적 에너지 밀도(Wh/L)로 표시된다.^[93] 실제 전지의 에너지 밀도는 활물질 이외의 구성 요소도 포함될 수 있으므로, 활물질만으로 계산한 값의 20~40% 정도가 된다.

음극	전극 전위(V)	양극	전극 전위(V)
Li⁺/Li	-3.040	Cu²⁺/Cu	0.347
Zn²⁺/Zn	-0.763	Fe³⁺/Fe²⁺	0.771

5. 4. 방전 특성

전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다. 전지는 에너지 적으로 유리한 산화환원 반응이 회로의 외부 부분을 통해 전자가 이동할 때만 일어나도록 설계되었다.

전지의 단자에 걸리는 전기 구동력 또는

\displaystyle{\Delta V_{bat}}

는 ''단자 전압(차이)''으로 알려져 있으며 볼트 단위로 측정된다.^[21] 방전 중인 전지의 단자 전압은 개방 회로 전압보다 크기가 작다.^[23]

전압, 에너지 밀도, 가연성, 사용 가능한 전지 구조, 작동 온도 범위 및 수명과 같은 많은 중요한 전지 특성은 배터리 화학 물질에 따라 결정된다.^[46]

대전류 방전 특성은 전지가 고출력을 필요로 하는 장치에 적합한지를 나타내는 중요한 특성이다.

6. 전지의 수명 및 안전성

전지의 수명은 사용 환경, 충방전 횟수, 보관 조건 등에 따라 달라진다. 온도가 너무 높거나 낮으면 전지 수명이 줄어들 수 있다. 특히 충전지는 일반 전지보다 방전 속도가 빨라 하루에 최대 3%까지 충전량이 줄어들 수 있으므로(온도에 따라 다름) 주의해야 한다.^[70] 니켈-카드뮴 전지는 구매 시 거의 방전된 상태이므로 사용 전 충전이 필요하며, 장기간 사용하지 않을 때는 완전히 충전하여 보관하는 것이 좋다.

배터리 폭발은 주로 잘못된 사용이나 오작동 때문에 발생한다. 예를 들어 1차 전지(비충전식)를 충전하려 하거나 단락 회로가 발생하면 폭발할 수 있다. 과도한 속도로 충전하면 수소와 산소의 폭발성 가스 혼합물이 배터리 내부에서 빠르게 생성되어 압력이 높아지고, 결국 배터리 케이스가 파열될 수 있다.^[70]^[71] 특히 자동차 배터리는 단락 회로로 매우 큰 전류가 흐를 때 폭발할 가능성이 높다. 과충전 시 전기 분해로 인해 폭발성이 강한 수소가 생성되기 때문이다.

과충전은 누액이나 배터리 손상을 유발할 수 있으며, 충전기나 다른 장치에도 손상을 줄 수 있다. 배터리를 소각해 폐기하면 밀봉된 케이스 안에 증기가 축적되어 폭발할 수도 있다.

배터리 화학 물질은 부식성이 있거나 독성이 있을 수 있으므로, 누액 발생 시 위험할 수 있다. 예를 들어 일회용 배터리가 과방전되면 시약이 케이스 밖으로 새어 나와 장비를 손상시킬 수 있다.

납, 수은, 카드뮴 등 독성 물질을 사용하는 배터리는 수명이 다하면 환경 피해를 막기 위해 적절하게 폐기해야 한다.^[72] 배터리는 전자 폐기물의 일종으로, 전자 폐기물 재활용 서비스를 통해 독성 물질을 회수하여 재사용할 수 있다.^[73]

배터리를 삼켰을 경우 유해하거나 치명적일 수 있다.^[75] 특히 어린아이가 작은 버튼 셀을 삼키면 소화관 손상 및 심각한 후유증이 발생할 수 있으며,^[76] 심하면 사망에 이를 수 있다. 섭취된 원반형 배터리가 식도에 걸리면 액화 괴사가 발생할 수 있고, 섭취 후 6시간 만에 천공이 발생한 사례도 있다.^[77]

7. 전지 관련 법규 및 규제

전기 배터리 관련 법규에는 안전한 폐기 및 재활용과 같은 주제가 포함된다.

미국에서는 1996년 수은 함유 및 충전식 배터리 관리법(Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act)에 따라 수은 함유 배터리 판매가 금지되었고, 충전식 배터리에 대한 균일한 라벨링 요구 사항 및 충전식 배터리를 쉽게 제거할 수 있어야 한다는 요구 사항이 추가되었다.^[79] 캘리포니아와 뉴욕시는 일반 쓰레기 매립지에 충전식 배터리를 버리는 것을 금지하고 있다.^[80]^[81] 충전식 배터리 업계는 미국과 캐나다 전역에서 지역 소매업체에 설치된 수거함을 통해 전국적인 재활용 프로그램을 운영하고 있다.^[82]

유럽 연합의 배터리 지침(Battery Directive)에는 배터리 재활용 증대 및 개선된 배터리 재활용 방법에 대한 연구 촉진과 같은 요구 사항이 추가적으로 포함되어 있다.^[83] 이 지침에 따라 EU 내에서 판매되는 모든 배터리에는 "수거 기호"(바퀴 달린 쓰레기통에 X 표시)가 표시되어야 한다. 이 기호는 각형 배터리 표면의 최소 3%, 원통형 배터리 표면의 최소 1.5%를 차지해야 한다. 모든 포장재에도 마찬가지로 표시해야 한다.^[84]

최근 몇 년 동안 리튬이온 배터리를 사용하는 기기의 발화 또는 폭발 등 사고 및 고장이 보고됨에 따라 리콜이 더욱 일반화되었다.^[85]^[86]

2022년 12월 9일, 유럽 의회(European Parliament)는 2026년부터 EU에서 판매되는 모든 전기 제품(주로 습한 환경에서 사용되지 않는 제품)에 대해 소비자가 직접 배터리를 쉽게 제거하고 교체할 수 있도록 제조업체가 설계하도록 하는 데 합의했다.^[87]^[88]

참조

_[1] 서적 Battery Reference Book https://books.google[...] Newnes 2016-03-18
_[2] 서적 General Chemistry https://archive.org/[...] Dover Publications, Inc. 1988
_[3] 서적 Batteries for Portable Devices https://books.google[...] Elsevier 2016-03-18
_[4] 웹사이트 The history and development of batteries https://phys.org/new[...] 2015-04-30
_[5] 웹사이트 "Electrical battery" of Leyden jars - The Benjamin Franklin Tercentenary http://www.benfrankl[...]
_[6] 웹사이트 Biography of Alessandro Volta, Inventor of the Battery https://archive.toda[...] 2008-08-07
_[7] 웹사이트 Alessandro Volta and Luigi Galvani http://home.cc.umani[...] 2008-08-11
_[8] 웹사이트 Fascinating facts about the invention of the Electric Battery by Alessandro Volta in 1800 https://web.archive.[...] 2008-08-11
_[9] 문서 electromagnetism
_[10] 웹사이트 Battery History, Technology, Applications and Development http://www.mpoweruk.[...] 2007-03-19
_[11] 웹사이트 History of the electrical units http://seaus.free.fr[...] Association S-EAU-S 2012-09-10
_[12] 웹사이트 Columbia Dry Cell Battery http://portal.acs.or[...] American Chemical Society 2013-03-25
_[13] 보고서 Insight Report — A Vision for a Sustainable Battery Value Chain in 2030 : Unlocking the Full Potential to Power Sustainable Development and Climate Change Mitigation http://www3.weforum.[...] World Economic Forum & Global Battery Alliance 2021-06-02
_[14] 학술지 Demand response and smart grids-A survey Elsevier 2014
_[15] 학회 The applications of echelon use batteries from electric vehicles to distributed energy storage systems IOP Publishing Ltd 2019
_[16] 보고서 Grid-Scale Battery Storage : Frequently Asked Questions https://www.nrel.gov[...] National Renewable Energy Laboratory (NREL) & greeningthegrid.org 2021-05-21
_[17] 서적 Solid State Physics Brooks/Cole 1976
_[18] 문서 Dingrando 665
_[19] 문서 Saslow 338
_[20] 문서 Dingrando 666
_[21] 문서 Knight 943
_[22] 문서 Knight 976
_[23] 웹사이트 Terminal Voltage https://web.archive.[...] 2007-04-07
_[24] 문서 Dingrando 674
_[25] 문서 Dingrando 677
_[26] 웹사이트 The Lemon Battery http://ushistory.org[...] 2007-04-10
_[27] 웹사이트 ZOOM activities: phenom Potato Battery http://pbskids.org/z[...] 2007-04-10
_[28] 웹사이트 Battery Experiments: Voltaic Pile http://electronics.h[...] 2007-04-10
_[29] 문서 Dingrando 675
_[30] 문서 Batteries and Fuel Cells
_[31] 서적 Modern Practice of the Electric Telegraph 15th Edition D. Van Nostrand Company 1899
_[32] 웹사이트 Duracell: Battery Care http://www.duracell.[...] 2008-08-10
_[33] 웹사이트 Alkaline Manganese Dioxide Handbook and Application Manual http://data.energize[...] 2008-08-25
_[34] 웹사이트 Spotlight on Photovoltaics & Fuel Cells: A Web-based Study & Comparison http://www.pspb.org/[...] 2007-03-14
_[35] 뉴스 Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries https://news.utexas.[...] University of Texas 2017-03-15
_[36] 웹사이트 Solid-state EV battery breakthrough from Li-ion battery inventor John Goodenough http://theamericanen[...] The American Energy News. 2017-03-01
_[37] 웹사이트 Sony Develops A Bio Battery Powered By Sugar http://informationwe[...]
_[38] 웹사이트 Dynasty VRLA Batteries and Their Application http://www.cdtechno.[...] C&D Technologies, Inc.
_[39] 뉴스 Solar plane makes record flight http://news.bbc.co.u[...] BBC News 2008-08-24
_[40] 간행물 Powering Tomorrow's Medicine: Critical Decisions for Batteries in Medical Applications https://www.medicald[...] 2015-11-01
_[41] 뉴스 Elon Musk wins $50m bet with giant battery for South Australia https://news.sky.com[...] 2017-11-24
_[42] 웹사이트 China Builds the World's Largest Battery, a Building-Sized, 36-Megawatt-Hour Behemoth | Popular Science http://www.popsci.co[...] Popsci.com 2012-12-21
_[43] 뉴스 World's biggest battery switched on in Alaska https://archive.toda[...] Telegraph.co.uk 2008-09-02
_[44] 간행물 Storing the Breeze: New Battery Might Make Wind Power More Reliable http://www.sciam.com[...] Scientific American 2008-12-22
_[45] 웹사이트 Auwahi Wind | Energy Solutions | Sempra U.S. Gas & Power, LLC http://www.semprausg[...] Semprausgp.com
_[46] 웹사이트 How a battery works https://www.science.[...] 2016-02-25
_[47] 웹사이트 Lithium Iron Disulfide Handbook and Application Manual http://data.energize[...]
_[48] 문서 Excludes the mass of the air oxidizer.
_[49] 웹사이트 Battery Knowledge – AA Portable Power Corp. http://www.aaportabl[...]
_[50] 웹사이트 Battery Capacity http://www.techlib.c[...]
_[51] 웹사이트 A Guide to Understanding Battery Specifications http://web.mit.edu/e[...] MIT Electric Vehicle Team 2008-12-01
_[52] 논문 Battery materials for ultrafast charging and discharging http://media.nature.[...]
_[53] 뉴스 Cambridge spin-out's sportscar prototype takes ultra-fast charging out of the lab and onto the road https://www.cam.ac.u[...] University of Cambridge 2024-07-01
_[54] 뉴스 Zeekr: China EV firm claims world's fastest-charging battery https://www.bbc.co.u[...] 2024-08-14
_[55] 웹사이트 Battery cycling and endurance testing https://www.sheffiel[...] 2020-10-05
_[56] 웹사이트 Battery Lifespan https://www.nrel.gov[...] 2023-03-30
_[57] 웹사이트 Self discharge of batteries. http://www.corrosion[...] Corrosion Doctors
_[58] 뉴스 In Battery Buying, Enough Decisions to Exhaust That Bunny https://www.nytimes.[...] 2007-11-10
_[59] 웹사이트 Energizer Rechargeable Batteries and Chargers: Frequently Asked Questions http://www.energizer[...] Energizer
_[60] 웹사이트 eneloop, environmentally friendly and energy saving batteries | Panasonic eneloop https://www.panasoni[...]
_[61] 웹사이트 Rechargeable battery Tips https://web.archive.[...] NIMH Technology Information
_[62] 웹사이트 Battery Myths vs Battery Facts http://www.greenbatt[...]
_[63] 웹사이트 Sci.Electronics FAQ: More Battery Info http://www.repairfaq[...]
_[64] 웹사이트 What does 'memory effect' mean? http://rechargeableb[...] 2005-10-28
_[65] 서적 The International Lead Trade Woodhead
_[66] 웹사이트 Deep Cycle Battery FAQ http://www.windsun.c[...] Northern Arizona Wind & Sun
_[67] 웹사이트 Car and Deep Cycle Battery FAQ http://www.rpc.com.a[...] Rainbow Power Company
_[68] 웹사이트 Deep cycle battery guide http://www.energymat[...] Energy Matters
_[69] 웹사이트 Ask Yahoo: Does putting batteries in the freezer make them last longer? http://ask.yahoo.com[...]
_[70] 웹사이트 Solid-state EV battery breakthrough from Li-ion battery inventor John Goodenough http://theamericanen[...] The American Energy News. 2017-03-01
_[71] 웹사이트 battery hazards https://www.youtube.[...] 2018-09-20
_[72] 웹사이트 Batteries https://web.archive.[...] 2007-09-11
_[73] 웹사이트 Battery Recycling » Earth 911 http://earth911.org/[...] 2007-09-09
_[74] 뉴스 San Francisco Supervisor Takes Aim at Toxic Battery Waste Environmental News Network 2001-07-11
_[75] 웹사이트 Product Safety DataSheet. Energizer (p. 2) http://data.energize[...] 2007-09-09
_[76] 웹사이트 Swallowed a Button Battery? | Battery in the Nose or Ear? http://www.poison.or[...] Poison.org 2010-03-03
_[77] 웹사이트 Disk Battery Ingestion: Background, Pathophysiology, Epidemiology http://emedicine.med[...] 2016-06-09
_[78] 웹사이트 Bitter tasting battey discourages ingestion. https://www.duracell[...] 2021-10-25
_[79] 웹사이트 Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act https://www.epa.gov/[...] 2021-02-15
_[80] 웹사이트 Battery Recycling in New York... it's the law! https://www.call2rec[...] call2recycle.org 2021-06-02
_[81] 간행물 Bill No. 1125 - Rechargeable Battery Recycling Act of 2006, State of California http://www.leginfo.c[...] 2021-06-02
_[82] 웹사이트 Rechargeable Battery Recycling Corporation http://www.rbrc.org/[...] 2022-01-15
_[83] 웹사이트 Disposal of spent batteries and accumulators http://europa.eu/leg[...] 2009-07-27
_[84] 웹사이트 Guidelines on Portable Batteries Marking Requirements in the European Union 2008 http://www.epbaeurop[...] EPBA-EU
_[85] 웹사이트 Lithium Batteries: The Pros and Cons http://electronics36[...] 2017-03-15
_[86] 뉴스 Samsung's Recall – The Problem with Lithium Ion Batteries https://www.nytimes.[...] 2016-03-15
_[87] 보도자료 Batteries: deal on new EU rules for design, production and waste treatment https://www.europarl[...] European Parliament 2022-12-11
_[88] 뉴스 Neue EU-Regeln: Jeder soll Handy-Akkus selbst tauschen können https://www.spiegel.[...] 2022-12-11
_[89] 웹사이트 電池とは https://kotobank.jp/[...] 2021-01-11
_[90] 문서 전지에서 환원반응이 일어나는 양극 쪽을 "카소드"라고 하고, 산화반응이 일어나는 음극 쪽을 "애노드"라고 하지만, 전기분해에서는 반대로 양극을 "애노드", 음극을 "카소드"라고 하므로 주의해야 한다.
_[91] 문서 전위창이 높은 것을 "전기창이 넓다"라고 한다.
_[92] 문서 기전력은 전지에 아무것도 연결되지 않고 전류가 흐르지 않는 상태에서의 단자 전압을 나타낸다.
_[93] 서적 새로운 배터리 과학 고단샤 2006-09-20
_[94] 문서 단자 전압 = 기전력 - 과전압 = 기전력 - (저항 과전압 + 활성화 과전압 + 농도 과전압)으로 나타낼 수 있다.
_[95] 웹사이트 토요타, 무라타제, TDK…주목받는 전고체전지! 이미 시장점유율 쟁탈전 뉴스위치 by 일간공업신문사 https://newswitch.jp[...] 2023-07-15
_[96] 웹사이트 맥셀, 교토에 전고체전지 양산체제 6월부터 출하 - 화학공업신문 전자판 https://chemicaldail[...] 2023-07-15
_[97] 논문 야이 사쿠조 http://www2.iee.or.j[...] 전기학회 2013-03-10
_[98] 논문 1차 전지 기술 발전의 계통화 조사 https://sts.kahaku.g[...] 국립과학박물관 2007-03-30
_[99] 웹사이트 「조립전지」 http://www.baysun.ne[...]

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com