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전기자동차용 배터리Ⅱ
최용성  |  najunewsn@hanmail.net
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승인 2014.12.22  
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Ni-Cd 및 Ni-MH 전지는 양극으로 Ni(OH)2를, 음극으로 각각 Cd(OH)2와 MH (수소저장합금)을
   
최용성 교수
동신대 전기공학과
사용하고, 전해액으로는 고농도의 KOH (6~12몰) 수용액을 사용한다. KOH 수용액 (수계 전해핵)을 사용하므로 1.2V의 전압을 나타낸다.

Ni-Cd는 충전광정에서 음극의 Cd(OH)2가 양극으로부터 공급된 전자를 외부도선으로부터 받아서 OH-를 전해액으로 방출하면서 Cd로 환원되고 양극에서 Ni(OH)2가 전자를 방출하면서 NiOOH로 되면서 산화반응이 일어난다.

Cd(OH)2는 산화 및 환원반응 호환성이 뛰어나고 반응이 안정적이어서 좋은 내구성을 나타낸다. Ni-Cd 전지는 낮은 에너지 밀도를 갖고 있으나 우수한 수명특성을 지녀 가격이 저렴하고 고속방전 특성도 뛰어나므로 소형으로는 전동공구, 대형으로는 비행기와 같은 특수하고 정밀한 분야에 사용되고 있다. 그러나, 메모리 효과에 의한 수명감소, 높은 자기방전율 등의 단점을 갖으며 무엇보다도 Cd의 환경오염으로 그 활용도가 점점 줄어들고 있다.

Ni-MH 전지는 양극에서 반응은 Ni-Cd와 동일하지만 음극에서는 환원반응으로 발생한 수소를 수소저장합금인 음극으로 들어가게 하는 구조로 되어 있다. 따라서 전압특성은 수소저장합금의 특성에 좌우되며, Ni-Cd 전지보다 약 40% 정도 더 높은 에너지 밀도를 갖으며 친환경적이어서 다양한 분야에 응용되고 있다.

그러나 수명이 짧고 방전속도도 Ni-Cd 전지보다 좋지 않으며 가격도 Ni-Cd 전지에 비해 약 20% 정도 비싼 단점이 있다. 메모리 효과는 Ni-Cd 전지보다 덜 하지만 자가방전율이 더 크고 충전중 과열을 방지하기 위해 Ni-Cd 전지보다 더 천천히 충전해야 한다.

리튬-황 전지는 양극에 황 (S)을, 음극에 리튬을 사용한 전지이며 구동전압은 약 2.1V 정도이다. 이 전지는 조립시 충전상태로 되기 때문에 사용하기 위해 별도의 충전지 필요없다. 초기 방전에서 리튬이 황으로 이동하면서 리튬황화물을 형성한다. 방전과정에서 리툼금속으로부터 리튬이온이 전해액을 통해 황으로 이동한다. 황은 리튬과 다양한 화합물을 형성하는데 일반적으로 Li2Sx로 표시하며 x가 3~8 사이를 갖는 리튬-고분자 황화물을 형성한다.

리튬-황 전지의 충전혀율은 99.7%로 높으며 방전곡선은 초기의 S에서 Li2S6까지 즉 0.4Ah까지 급속히 감소한 후 Li2S6에서 Li2S2 이상까지 리튬을 부가하면 약 1.1Ah까지 평단전압을 갖는다. 이 전지는 이론적으로 2,500Wh/kg의 높은 에너지밀도를 갖으며 향후 전기자동차, ESS 등의 고에너지 밀도를 요구하는 응용분야의 후보 전지라고 할 수 있다. 그러나, 이 전지는 리튬고분자 황화물에 의한 자가방전으로 수명특성이 단점이다.

Redox-flow 전지는 산화상태가 다른 활물질을 함유하고 있는 전해액 저장 탱크, 활물질을 순환시키는 펌프, 이온교환막으로 분리되어 있는 셀의 3가지 부분으로 구성되어 있다. 전해액 속에 녹아 이온상태로 있는 산화상태가 다른 활물질이 분리막을 기준으로 서로 다른 방향에서 공급되면서 산화 및 환원 반응에 의해 전해액의 화학에너지로부터 직접적으로 전기에너지로 저장된다. 이때 펌프는 활물질이 있는 전해액을 순환시키면서 지속적으로 산화 및 환원 반응을 일으키도록 활물질을 공급한다.

Redox-flow 전지는 양극과 음극에서 사용하는 금속의 종류에 따라 다양한 전입이 나타나며 보통 1~2V의 전압을 나타내며, 이중에서 바나듐을 사용하는 전지가 가장 효과적인 것으로 알려져 있다/ 바나듐을 사용하는 Redox-flow 전지는 약 1.4V 정도의 전압을 나타내며 상대적으로 빠른 산화, 환원 반응으로 높은 에너지 효율을 나타낸다. 이온의 크기가 큼므로 멤브레인을 통과하는 문제가 일어나지 않아 뷸균일한 출력이나 최대에서의 충방전 속도에도 전지가 손상되지 않는 장점을 갖는다.

단점으로는 바나듐 이온의 강한 활동성으로 분리막에 손상을 주는 것이다. 또한 시간이 지난수록 반응물의 농도가 낮아져 전압이 감소하므로 주기적으로 농도를 보충해야 하며 삼투압에 의해 물이 이동할 수 있어 활물질 이온의 농도가 달라져 역삼투압이나 물의 증발법 등을 활용하여 일정 농도로 유지하는 것이 중요하다.

다음에는 금속-공기 전지, 리튬이차전지와 같은 다른 배터리 종류에 대하여 기고하겠다.
 

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