납 축전지
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1. 개요
납 축전지는 1859년 가스통 플란테에 의해 발명된 2차 전지이다. 양극은 이산화 납, 음극은 납, 전해액은 묽은 황산을 사용하며, 충전과 방전을 반복하며 전기를 저장한다. 납 축전지는 자동차 배터리, 무정전 전원 공급 장치, 전기 자동차 등에 널리 사용되며, 극판 구조, 전해액, 구조에 따라 다양한 종류가 있다. 납과 황산을 포함하여 환경 문제 및 재활용이 중요하며, 설페이션, 탈락, 액고갈 등의 열화 현상이 발생할 수 있다.
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| 납 축전지 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 에너지 밀도 (무게당) | 35–40 Wh/kg |
| 에너지 밀도 (부피당) | 80–90 Wh/L |
| 전력 밀도 (무게당) | 180 W/kg |
| 충전-방전 효율 | 50%–95% |
| 에너지 가격 | 7 (밀폐형) – 18 (개방형) Wh/US$ |
| 자가 방전율 | 3%-20%/월 |
| 수명 | 350 사이클 미만 |
| 공칭 전압 | 2.1 V |
| 작동 온도 | 최소 −35 °C, 최대 45 °C |
| 기본 정보 | |
| |
| 에너지 밀도 (무게당) | 35-40 Wh/kg |
| 에너지 밀도 (부피당) | 80-90 Wh/L |
| 전력 밀도 (무게당) | 180 W/kg |
| 충전-방전 효율 | 50–95% |
| 에너지 가격 | 7 (밀폐형) ~ 18 (개방형) Wh/US$ |
| 자가 방전율 | 3–20%/월 |
| 수명 | 350 사이클 미만 |
| 공칭 전압 | 2.1 V |
| 작동 온도 | 최소 −35 °C, 최대 45 °C |
2. 역사
납 축전지는 1859년 가스통 플란테가 발명했다.[8] 1881년, 카미유 알퐁스 포레는 산화납 분말을 황산으로 반죽하여 페이스트로 만든 것을 프레스로 가열해 해면상 납판을 대량으로 제조하는 방법을 발명하여 납 축전지의 용량을 대폭 증가시켰으며, 이 기술은 현재에도 사용되고 있다.
2. 1. 납 축전지의 발명과 발전
납 축전지는 1859년 가스통 플란테에 의해 발명되었다.[8] 플란테의 납 축전지는 2장의 얇은 납판 사이에 2개의 테이프(고무 띠)를 끼워 원통형으로 감아 희황산을 채운 것이었다.[8] 1881년, 카미유 알퐁스 포레는 산화납 분말을 황산으로 반죽하여 페이스트로 만든 것을 프레스로 가열하여 해면상 납판을 대량으로 제조하는 방법을 발명했다. 이 방법으로 제조된 전극을 사용한 납 축전지의 용량은 대폭 증가했으며, 이 기술은 현재에도 사용되고 있다.
3. 원리 및 구조
이산화 납이 양(+)극, 납이 음(-)극으로 사용되며, 이 두 극판은 묽은 황산 전해액에 잠겨 있다.[9] 구형 납 축전지는 밀폐 상태가 좋지 않아 주기적으로 진한 황산을 보충해야 했지만, 현재 시판되는 납 축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 누출 위험이 없다.
납 축전지의 구성 요소는 다음과 같다.
| 구성 요소 | 상세 내용 |
|---|---|
| 양극 | |
| 음극 | |
| 전해액 | 희황산(H2SO4), 농도 30-35% 정도 (용도별로 JIS에서 규정) |
| 분리막 | 합성수지제 다공성 격리판 |
| 전조・뚜껑 | 양극・음극판・분리막을 조합한 극판군과 전해액을 수납하는 용기 |
| 기타 | 전극 단자, 안전 밸브, 밀봉재, 표시물 |
3. 1. 작동 원리
납 축전지는 다음과 같은 반응으로 충전과 방전을 반복한다.(완전 충전 상태) Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (완전 방전 상태)
먼저 음극인 납판은 묽은 황산과 반응하여 황산 납과 2개의 전자를 방출한다.
Pb(s) + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2e- + 2H+(aq)
이 전자들이 도선을 따라 흐르다가 양극에 만나면 다음과 같은 반응을 한다.
PbO2(s) + 2e- + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2OH-
이러한 반응으로 1개의 셀에서 나오는 전압은 약 2볼트로, 다른 전지에 비해 매우 높은 편이다. 납 축전지는 양극판에 '''이산화 납''', 음극판에 해면상의 '''납''', 전해액으로 '''묽은 황산'''을 사용한 이차 전지이다. 양극, 음극 쌍방에서 전해액 중에 황산 이온이 이동함으로써 충전되며, 전해액 중의 황산 이온이 양극, 음극 쌍방으로 이동함으로써 방전을 한다. 방전하면 황산 이온이 양극, 음극 쌍방으로 이동하기 때문에 전해액의 비중은 저하하고, 반대로 충전하면 상승한다. 또한, 전해액의 비중 변화는 방전 시에 양극에서 물이 만들어지는 것도 관계하고 있다. 납 축전지는 단시간에 대전류를 방전시켜도, 장시간에 걸쳐 완만한 방전을 해도 비교적 안정된 성능을 가지고 있으며, 다른 이차 전지와 달리 방전이 덜 된 상태에서 재충전을 해도 메모리 효과는 나타나지 않는다.
한편, 다른 축전지에 비해 대형이고 무거우며, 묽은 황산을 사용하기 때문에 누설이나 파손 시에 위험이 따른다. 과방전에 의해 '''설페이션'''(백색 황산 납화)이라고 불리는 현상이 발생하여 용량이 저하된다. 또한, 충전량의 저하에 따라 전해액의 농도가 저하되고, 응고점이 상승하기 때문에, 혹한지에서는 전해액이 동결되기 쉬워지며, 동결 시의 팽창에 의해 용기가 파손되는 경우도 있다. 이 때문에, 자주 충전하여 과방전을 피하는 편이 더 오랫동안 기능을 유지할 수 있다[9]。 방전될 때까지 사용하기 위해 전극을 개량한 딥 사이클 배터리도 존재한다.
납 축전지의 전극에서 일어나는 화학 반응은 아래와 같이 나타내며, Pb와 PbO2에서의 Pb의 산화수 차이를 이용한 전지이다.
| 방전 시 | 충전 시 | |
|---|---|---|
| 음극 | ||
| 양극 |
위의 두 식은 하나로 합칠 수 있다.
:
3. 2. 구성 요소
이산화 납이 양(+)극, 납이 음(-)극으로 사용되며, 이 두 극판은 묽은 황산 전해액에 잠겨 있다. 구형 납 축전지는 밀폐 상태가 좋지 않아 주기적으로 진한 황산을 보충해야 했지만, 현재 시판되는 납 축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 누출 위험이 없다.[9]납 축전지의 구성 요소는 다음과 같다.
- 양극
- 전극 격자: 납 또는 납 합금
- 활물질: 이산화 납(PbO2)
- 음극
- 전극 격자: 납 또는 납 합금
- 활물질: 납(Pb)
- 전해액: 희황산(H2SO4), 농도 30-35% 정도. 용도별로 JIS에서 규정.
- 분리막: 합성수지제 다공성 격리판
- 전조・뚜껑: 양극・음극판・분리막을 조합한 극판군과 전해액을 수납하는 용기
- 기타: 전극 단자, 안전 밸브, 밀봉재, 표시물
초기 납 축전지는 엽서 크기의 극판으로 1 암페어 정도의 전류를 몇 분 동안만 생성할 수 있었다.
가스통 플란테(Gaston Planté)는 넓은 유효 표면적을 확보하기 위해 얇은 천으로 격리된 납박을 소용돌이 모양으로 감는 방식을 고안했다. 초기에는 낮은 용량 문제를 해결하기 위해 납박을 부식시켜 이산화납을 형성하고 표면적을 넓히는 공정이 필요했다. 처음에는 1차 전지의 전력을 사용했으나, 1870년 이후 발전기 사용으로 제조 비용이 감소했다.[10] 플란테식 극판은 현재도 고정형 축전지에 사용된다.
1880년, 카미유 알퐁스 포레|Camille Alphonse Faure프랑스어는 납 격자를 이산화납, 황산, 물 반죽 페이스트로 덮고 고습도 환경에서 가열하는 숙성(큐어링) 공정을 통해 극판을 제작하는 방법을 특허받았다. 숙성 공정은 페이스트를 황산납 혼합물로 변화시키고, 초기 충전("화성") 중에 전기화학적 활성 물질(활물질)로 변환된다. 포레의 제조법은 납 축전지 제조 시간과 비용을 절감하고 용량을 크게 증대시켰다.[11] 오늘날에도 사용되며, 페이스트 조성, 숙성, 격자체 구조 및 조성에 대한 점진적인 개선이 이루어졌다.
포레의 격자체는 순납 막대 연결 방식이었으나, 현재는 기계적 강도와 전류 흐름을 개선한 설계가 적용된다. 1881년 내에 순납 대신 납-안티몬 합금(안티몬 함량 8 - 12 질량%)이 사용되어 격자체 강도가 높아졌다. 그러나 고안티몬 격자는 수소 발생 증가, 전해액 감소, 유지 보수 비용 증가 문제를 야기했다. 1930년대 벨 연구소에서 이 문제가 밝혀졌고, 1935년 미국 전화망 예비 전지를 위해 납-칼슘 합금 격자가 개발되었다. 유럽에서는 납-셀렌 합금 격자가 개발되었다. 납-칼슘 및 납-셀렌 합금 격자에도 안티몬이 첨가되지만, 구식 고안티몬 합금보다 함량이 낮다(납-칼슘 합금 4 - 6%, 납-셀렌 합금 1 - 2%). 이러한 야금학적 개선으로 격자 강도가 높아져 더 많은 활물질 지탱, 극판 두께 증가, 전지 수명 연장이 가능해졌다. 고안티몬 격자는 사이클 안정성이 높아 충방전 빈도가 높고 충전 전류가 낮은 용도에 사용된다. 1950년대부터 수소 가스 발생량이 적고 유지 보수 비용이 낮은 납-칼슘 및 납-셀렌 전지가 예비 전지 등에 사용되었다. 1980년대부터 자동차용 전지에 사용되는 "칼슘 배터리"의 납-칼슘 합금에는 안티몬이 거의 포함되지 않고, 주석 첨가로 강도를 높인다.
납 합금에서 안티몬 제거는 과방전 후 재충전 곤란, 과도 충방전/고온 과충전에 의한 수명 열화("안티몬 프리 효과")를 유발한다.[12] 따라서 헤비 듀티 용도에는 정극 격자에 납-안티몬 합금, 부극 격자에 납-칼슘 합금을 사용하는 하이브리드형 전지가 사용된다.
최근에는 납, 주석, 칼슘 합금이 전극 격자 재료로 사용되며, 자기 방전 감소로 1년에 20% 정도만 소모된다.[9]
수계 전해액 사용에도 불구하고 물의 전기 분해 전압(1.23V)보다 높은 전압(약 2V)을 낼 수 있는 이유는 납의 수소 과전압이 커서 수소 이온이 수소 분자가 되기 어렵기 때문이다.[13]
4. 종류
납 축전지는 크게 극판에 따른 분류와 구조에 따른 분류로 나눌 수 있다.
극판에 따른 분류는 하위 섹션에서 자세히 다루며, 구조에 따른 분류는 다음과 같다.
- 벤트형 (개방형)[14]: 오래전부터 사용된 방식으로, 전해액에 극판을 담그고 뚜껑에 배기공을 두어 충전 시 발생하는 가스를 배출한다. 배터리를 넘어뜨리면 전해액(묽은 황산)이 새어 나올 수 있어 주의해야 한다. 충전 시 발생하는 수소와 산소 가스는 폭발 위험이 있으므로, 전해액을 최대한 분리하여 배출하는 장치가 필요하다. 전해액 감소를 막기 위해 정제수를 보충하는 유지 보수가 필요하지만, 최근에는 유지 보수가 필요 없는 (MF) 배터리도 많이 사용된다.
- 밀폐형[15]: 일반적으로 밀폐된 상태로 유지되며, 액체 보충이나 보수가 필요 없는 배터리를 통칭한다. 밸브 제어 방식 배터리와 밀폐형/완전 밀폐형 배터리가 있다.[16]
밸브 제어식(VRLA) 및 밀폐형/완전 밀폐형은 하위 섹션에서 자세히 다룬다.
4. 1. 극판에 따른 분류
납 축전지는 극판의 형태에 따라 여러 종류로 나뉜다. 초기에는 단순히 두 장의 납판을 사용했지만, 효율이 매우 낮았다.가스통 플란테는 넓은 표면적을 가진 전극을 개발했다. 그의 설계는 소용돌이 모양으로 감긴 납박을 얇은 천으로 분리한 형태였다. 하지만 초기 용량이 낮아 납박을 부식시키는 공정이 필요했다.[10]
1880년, 카미유 알퐁스 포레는 납 격자에 이산화납, 황산, 물 반죽을 덮고 숙성시키는 방식으로 극판을 제작하는 방법을 특허냈다. 이 방법은 제조 시간과 비용을 크게 줄이고 용량을 늘렸다.[11] 포레의 방식은 오늘날에도 사용되며, 페이스트 조성, 숙성, 격자체 구조 등이 점진적으로 개선되었다.
초기 격자체는 순납 막대를 직각으로 연결한 형태였으나, 현재는 기계적 강도와 전류 흐름을 개선한 설계가 사용된다. 1881년에는 납-안티몬 합금이 도입되어 격자체의 강도가 높아졌지만, 수소 발생과 전해액 감소 문제가 있었다. 1930년대에는 벨 연구소에서 납-칼슘 합금 격자가 개발되었고, 이후 유럽에서는 납-셀렌 합금 격자가 개발되었다. 이러한 합금들은 안티몬 함량이 낮아 수소 발생 문제를 줄였다. 고안티몬 격자는 사이클 안정성이 높아 충방전 빈도가 높은 용도로 사용된다. 1980년대부터 자동차용 전지로 사용되는 "칼슘 배터리"는 납-칼슘 합금에 주석을 첨가하여 강도를 높였다.
납 합금에서 안티몬을 제거하면 재충전이 어려워지는 "안티몬 프리 효과"가 있어[12], 헤비 듀티 용도에는 납-안티몬 합금(정극)과 납-칼슘 합금(부극)을 함께 사용하는 하이브리드형 전지가 사용된다.
최근에는 납, 주석, 칼슘 합금이 전극 격자 재료로 사용되며, 자기 방전이 감소하여 1년에 20% 정도만 소모된다.[9]
납 축전지는 수계 전해액을 사용함에도 불구하고 물의 전기 분해 전압(1.23V)보다 높은 전압(약 2V)을 낼 수 있는데, 이는 납의 수소 과전압이 커서 수소 이온이 수소 분자가 되기 어렵기 때문이다.[13]
납 축전지는 양극판 구조에 따라 플란테식, 세미 플란테식, 클래드식으로 분류되며,[8] 음극판에는 페이스트식과 박스식이 있다.[8]
- 플란테식: 튜더식과 클로라이드식(맨체스터식)이 있다.[8]
- 튜더식: 납판에 세로 홈을 내어 표면적을 늘리고 전해 산화시킨 극판이다.[8] 1883년에 헨리 오웬 튜더가 발명했다.[8]
- 클로라이드식 (맨체스터식): 납-안티몬 합금에 원형 구멍을 뚫고 순납 리본을 붙여 표면을 산화납으로 만든 극판이다.[8] 1895년에 맨체스터의 클로라이드 축전지 회사가 제조를 시작했다.[8]
- 세미 플란테식: 순납판에 성기게 홈을 내고 페이스트를 충전한 극판이다.[8]
- 클래드식: 에보나이트 클래드, 파이버 클래드, 페이스트식이 있다.[8]
- 에보나이트 클래드: 에보나이트 관에 홈을 내어 전해액이 들어가게 하고, 납 심금 주위에 활물질을 코팅하여 파이프에 충전한 것이다.[8]
- 파이버 클래드: 유리 섬유나 폴리에스터 섬유 등을 튜브 모양으로 짜서 그 내부에 납 심금과 활물질을 충전한 것이다.[8]
- 페이스트식: 납-안티몬 합금 격자 틀에 활물질을 발라 극판으로 만든 것이다.[8]
- 페이스트식 (음극판): 납-안티몬 합금 등의 격자 틀에 페이스트를 도포하여 음극으로 화성 처리해 해면상 납으로 만든 것이다.[8]
- 박스식 (음극판): 납-안티몬 합금 등의 격자 틀에 페이스트를 도포하고 양면에 구멍 뚫린 순납 박판으로 덮은 것이다.[8]
4. 2. 구조에 따른 분류
납 축전지는 구조에 따라 벤트형과 밀폐형으로 나뉜다.; 벤트형 (개방형[14])
: 오래전부터 사용된 구조로, 전해액에 극판을 담그고 뚜껑에 충전 시 발생하는 가스를 배출하기 위한 배기공이 있다. 배기공은 가스를 바로 방출하거나 배기용 관을 연결할 수 있는 형태 등이 있다. 배터리를 넘어뜨리거나 거꾸로 하면 배기공에서 전해액인 묽은 황산이 새어 나오므로 주의해야 한다.
: 충전 시 전해액 중의 물이 전기 분해되어 수소와 산소 가스가 발생한다. 이 가스는 배기공으로 방출되지만, 불이 붙으면 폭발적으로 연소하므로 주의가 필요하다. 실제로는 전해액(황산)이 안개 상태로 섞여 있어, 그대로 방출하면 주변을 부식시키고 전해액을 소모시키므로, 최대한 분리하여 전해액을 밖으로 내보내지 않도록 하는 장치가 되어 있다.
: 전기 분해나 증발로 전해액 중의 물이 감소하므로, 전해액 양을 점검하고 정제수를 보충하는 유지 보수(보수)가 필요하다. 전해액이 감소하여 극판이 액면 위에 노출되면 그 부분이 비가역적으로 열화된다. 또한 전해액이 감소하면 배터리 내에 축적되는 가스양이 증가하여, 점화될 경우 위험하므로 보수는 매우 중요하다. 하지만 현재는 전해액 감소를 줄이기 위한 장치(유지 보수가 필요 없는(MF) 배터리)가 많이 사용되며, 어떤 것은 수명까지 보수가 필요 없는 것(및 벤트형이지만 밀폐형처럼 보수구가 없는 것)도 있다.
: 일본의 자동차 시동용 납 축전지(SLI (Starting, Lighting and Ignition) 배터리)는 주로 벤트형이지만, 차량 실내나 트렁크 룸 내에 탑재되는 배터리는 밸브 제어 방식이 많이 사용된다.
; 밀폐형[15]
: 통상 밀폐 상태가 유지되며, 사용 기간 동안 액체 보충이나 보수가 불가능한 배터리의 총칭이다. 밸브 제어 방식 배터리나 밀폐형 배터리 등이 있다[16]。
:; 밸브 제어식 (VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid) battery)
:: 가스 발생을 줄이고 용기를 밀폐할 수 있도록 한 것이다. 충전 시 발생하는 수소와 산소 가스를 칼슘을 포함하는 극판에 의해 물로 되돌린다[17]。 보수는 필요 없으며, 유지 보수가 필요 없는(MF) 배터리가 된다.
:: 실제로는 가스 발생을 완전히 없애지 못하여, 배터리 내압이 일정 값을 초과하면 밸브 제어 밸브가 열리고 가스를 방출하며, 내압이 내려가면 밸브가 다시 닫힌다. 보관 중에는 밸브가 닫혀 있어 전해액이 새는 일은 없지만, 사용 중에는 그렇지 않다.
:: 전해액 양을 줄일 수 있고, 그만큼 극판을 크게 할 수 있어 성능이 향상된다. 그러나 주변 온도의 영향을 받기 쉽고, 특히 높은 온도에서는 수명이 짧아지는 경향이 있다.
:: 적은 전해액 양으로 극판을 덮기 위해, 양극판과 음극판 사이에 유리 매트를 두고, 거기에 전해액을 스며들게 하여 유지시키는 AGM (Absorbent Glass Mat; 흡수 유리 매트) 배터리, 실리카 등을 사용하여 전해액을 겔 상태로 굳힌 겔 배터리 등이 있다.
:; 밀폐형/완전 밀폐형
:: 가스 발생을 원칙적으로 0으로 하고 용기를 밀폐한 것이다. 안전 밸브가 설치되어 있지만 비상용이며, 닫힌 상태가 정상이고, 통상적인 운용 중에는 열리지 않는다.
:: 실리카 등을 사용하여 전해액을 겔 상태로 굳힌 겔 배터리가 사용되며, 사용 시 자세는 자유로우며, 건전지와 같은 느낌으로 사용할 수 있는 유지 보수가 필요 없는(MF) 배터리이다. 단, 장기 보관 시에는 천지 정립이 권장되며, 상하를 거꾸로 하여 보관하는 것은 금지된다.
5. 용도
납 축전지는 자동차 배터리로 널리 사용된다. 산업용으로는 상업용 전원이 정전되었을 때 부동 충전용 무정전 전원 공급 장치(UPS)로 사용되거나, 전동 지게차·골프 카트와 같은 전기 자동차의 주 전원으로도 사용된다. 소형 비행기에도 널리 사용되는데, 자동차와 소형 비행기 모두 교류 발전기에서 발생한 교류를 다이오드 등으로 정류하여 직류로 만들어 충전한다. 아이와의 헤드폰 스테레오 등에 사용되는 껌형 전지에도 사용되었다.
재래식 잠수함인 홀랜드(1900년) 이후 잠항 시 주요 동력원으로 사용되고 있다. 불규칙한 충방전에 강한 특성이 있어, 엔진을 돌려 충전할 수 있는 부상 기회가 일정하지 않은 잠수함 운용에 적합하다. 또한, 무게가 크다는 점은 잠수함의 자세를 유지하는 밸러스트로 이용된다. 해상자위대의 오류(2020년 취역)는 세계 최초로 리튬 이온 2차 전지를 채용했지만, 최초 연구 시작부터 약 17년이 소요되었다.
6. 대한민국 현황 및 관련 기업
클라리오스는 2019년에 존슨 컨트롤즈의 Power Solutions 유닛이 Brookfield Business Partners|브룩필드 비즈니스 파트너스영어에 매각되어 신설된 회사이다. 제조하는 배터리 브랜드로는 Continental, OPTIMA, Heliar, LTH, Delkor, VARTA 등이 있다. 일본 시장용 VARTA 브랜드와 보쉬(BOSCH) 브랜드의 납 축전지는 클라리오스의 한국 지사인 Clarios Delkor Corporation에서 제조하고 있다.[18]
| 회사 | 시장 점유율(%) | 비고 |
|---|---|---|
| 클라리오스 | 20.49 | |
| 天能動力|톈넝 동력중국어 | 16.56 | 1986년 창업 |
| Energy Products Inc.|이스트펜영어 | 8.36 | |
| 超威動力|차오웨이 동력중국어 | 8.32 | |
| Exide|엑사이드영어 | 8.09 | |
| EnerSys|에너시스영어 | 8.09 | |
| GS 유아사 | 2.61 |
- 후루카와 전지
- 에너지위즈(구 쇼와전공 머티리얼즈 축전 디바이스・시스템 사업 부문, 구 히타치 화학 및 신고베 전기, Tuflong 브랜드)
- GS 유아사 에너지 (구・파나소닉 스토리지 배터리, 파나소닉 브랜드)
- ACDelco(에이씨델코)
- 로버트 보쉬
7. 장점 및 단점
납 축전지는 단시간 또는 장시간 동안 안정적인 성능을 유지하며, 방전이 덜 된 상태에서 재충전해도 메모리 효과가 나타나지 않는다. 그러나 크기가 크고 무거우며, 묽은 황산을 전해액으로 사용하므로 누액이나 파손 시 위험하다는 단점이 있다. 과방전 시에는 '''설페이션'''(백색 황산 납화) 현상이 발생하여 용량이 저하될 수 있고, 추운 지역에서는 전해액이 동결되어 용기가 파손될 위험이 있다. 이러한 문제점을 개선한 딥 사이클 배터리도 있다.[9]
7. 1. 장점
납 축전지는 셀 1개에서 약 2볼트의 전압을 생성하여, 다른 전지보다 높은 전압을 제공한다.[1]7. 2. 단점
납 축전지는 다른 축전지에 비해 크고 무거우며, 전해액으로 묽은 황산을 사용하기 때문에 누액이나 파손 시 위험하다. 과방전을 하면 '''설페이션'''(백색 황산 납화) 현상이 발생하여 용량이 줄어든다.[9] 또한, 충전량이 줄어들면 전해액 농도가 낮아져 응고점이 높아지기 때문에, 추운 지역에서는 전해액이 얼기 쉽고, 얼 때 팽창하여 용기가 파손될 수 있다.[9] 따라서 자주 충전하여 과방전을 피하는 것이 좋다.[9]8. 환경 문제 및 재활용
납 축전지는 인체와 환경에 유해한 납과 황산을 포함하고 있어 일반 폐기물로 버릴 수 없다. 이 때문에 전지 공업회와 각 전지 제조사를 중심으로 교체용 배터리를 판매하는 가게에서 폐기하는 납 축전지를 회수하는 재활용 제도가 정비되어 있다. 폐기된 납 축전지는 크게 납, 플라스틱, 황산으로 나뉘는데, 황산을 제외하고는 자원으로서 가치가 높기 때문에 업자 간에는 유가물로 거래되고 있다. 전해액의 묽은 황산은 의약용 외극물로, 폐기할 때 등에는 탄산수소나트륨 (베이킹 소다)을 비롯한 중화제를 사용하여 적절한 처리를 해야 한다.
9. 열화 현상
납 축전지는 방전이 완료되면 음극판 표면에 황산 납의 단단한 결정이 생기는 '''설페이션'''(백색 황산 납화) 현상이 발생하기 쉽다[9]。 전극 표면적을 넓히기 위해 표면이 입자상으로 되어 있지만, 설페이션에 의해 황산 납이 표면에 부착되어 표면적이 감소하고 기전력이 저하된다. 황산 납 결정은 용해도가 낮아, 일단 석출되면 충·방전 사이클로 되돌아갈 수 없다. 설페이션이 발생한 납 축전지는 충전하면 전압은 회복되지만 내부 저항이 커져 실제 사용할 수 있는 전지 용량이 저하된다. 배터리 열화는 배터리 테스터로 CCA(Cold Cranking Amperes, 저온 시동 전류) 값을 측정하여 판단할 수 있다. CCA 값은 -18℃에서 방전시켰을 때 단자 전압이 30초 동안 7.2V까지 저하되는 경우의 방전 전류(A)를 나타낸다.
설페이션을 일으킨 납 축전지의 기능 회복을 주장하는 첨가제가 있으며, 대부분 탄소 미분말이나 게르마늄, 리그닌, 특수 폴리머 등을 사용하지만 효과는 제한적이다. 펄스를 병용한 충전으로 설페이션을 제거하는 장치가 있지만, 전극이 열화되거나 탈락된 경우에는 무효하다.
다른 현상으로는, 양극판의 이산화 납이 사용하면서 점차 벗겨지는 '''탈락''' 현상이 발생하여, 전지 밑바닥에 쌓여 양극과 음극을 쇼트한 형태로 전압이 저하된다. 셀 1개의 전압이 2볼트이므로, 쇼트된 셀의 수만큼 2볼트 단위로 전압이 저하되는 것이 특징이다. 전해액의 용매인 물은 증발 또는 충전 시 수소와 산소로 전기 분해됨으로써 액량이 감소한다. 액면이 내려가 전극과 전해액의 접촉 면적이 감소하면 기전력이 저하되므로, 납 축전지에는 액면 높이를 나타내는 표시가 되어 있으며, 하한에 도달하면 증류수를 보충할 필요가 있다. 전해액 부족(액고갈) 상태에서는 충전 중이나 충격 등으로 인한 불꽃(쇼트)이 발생하고, 수소 가스에 인화되면 폭발 사고가 발생한다.
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