[전기 실무] 축전지

 축전지의 원리를 알기 위해서는 이온이라는 개념을 알아야 한다. 이온(Ion)이란 원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로 전자를 얻거나 잃어 전하를 띠는 원자나 분자를 의미한다. 이온은 양전하를 가진 양이온(Positive Ion), 음전하를 가진 음이온(Negative Ion)을 나눌 수 있으며 전자를 읽어버린 원자나 분자를 양이온, 전자를 얻은 원자나 분자를 음이온이라고 하면 이러한 과정을 이온화라 한다.

 

 이러한 이온의 성질을 이용하여 축전기의 원리를 설명할 수 있는데 먼저, 축전지는 양(+)극, 음(-)극, 전해질, 분리막로 구성되어 있다. 양극의 경우 양이온이 되려는 경향이 강한 소재로 아연, 카드뮴, 리튬 등의 금속이 사용되고, 음극의 경우 이온을 안정적으로 저장할 수 있는 흑연 소재가 많이 사용된다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동을 돕는 매개체이며 분리막은 양극과 음극이 물리적 접촉을 차단하는 역할을 수행하며 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)가 주로 사용된다.

 

 밑에 그림을 예시로 전지를 충전하게 되면 전자가 충전기로 인해 음극의 전압을 인위적으로 높아지기 때문에 전자가 도선을 통하여 음극으로 이동하게 되며, 리튬은 이온화되려는 경향이 크기 때문에 양이온이 된다. 이 리튬 양이온은 전자를 잃었기 때문에 전기적 중성을 유지하기 위해서 전해질에 녹아 음극으로 이동하게 된다. 완충이 되면 리튬이 음극에 억지로 결합되어 있는데 여기서 부하를 연결하게 되면 다시 안정적이었던 상태로 돌아가기 위해서 전위가 낮은 음극에서 높은 양극으로 전자가 이동하게 되고 이로 인해 리튬 양이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하게 되는 것이다.

축전지의 원리 / 출처 : BATTERY INSIDE

 

 전지의 종류는 다양한데 가장 크게 전지는 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있다. 1차 전지는 충전해서 다시 사용할 수 없는 것을 1차 전지, 충전을 해서 다시 사용할 수 있는 전지를 2차 전지라고 부른다. 1차 전지의 예시로는 우리가 생활에서 자주 사용하는 건전지를 예로 들 수 있다. 2차 전지의 예시로는 축전지(蓄電池, Storage Battery)를 들 수 있다.

 

 축전지에 대해서 더 자세하게 살펴보면 축전지는 연축전지, 알칼리축전지, 리튬이온축전지로 크게 나눌 수 있다. 가장 먼저, 연축전지(鉛蓄電池, Lead-Acid Battery)는 양극에 이산화납, 음극에 납을 사용하며 전해질은 비중 1.2의 묽은 황산을 이용한다. 연축전지는 셀당 2V의 전압을 발생시킬 수 있으며 주로 자동차와 비상발전기에서 사용된다. 또한 자동차에서 주로 사용하는 이유로는 큰 충격을 받았을 때 폭발 및 화재의 위험이 없다는 점이다. 하지만 방전이 지속되면 황산납이 굳어 침전물이 발생해 배터리 수명이 낮아지고 온도에 따라 성능변화가 심한 편이라는 단점이 있다.

연축전지 내부 구조 / 출처 : 월간전기

연축전지 화학반응식

 

 연축전지의 종류는 CS형(완방전형 클래드식)과 HS형(급방전형 페이스트식)으로 나눌 수 있는데 CS형은 천천히 방전되어 큰 전류를 낼 수 없으며 누설전류가 매우 낮아 오래 사용하는 기기에서 유리하다. 반대로 HS형은 급속 방전이 이루어지기 때문에 순간적으로 큰 전류를 만들어낼 수 있다는 장점이 있다.

 

 다음으로 알칼리전지(Alkali Accumulator)는 양극에 옥시수산화니켈, 음극에 카드뮴을 사용하며 알칼리용액을 전해질로 사용하며 대표적으로 니켈카드뮴축전지가 있다. 니켈카드뮴축전지는 셀당 1.2V 정도의 전압을 가지며 과거에는 무선전화기, 워크맨 등에서 사용했지만 환경오염으로 인해 휴대용 전자기기에는 사용하지 않는다. 현재는 비상유도등 등에서 많이 사용되고 있다. 니켈카드뮴축전지는 무게와 부피 대비 용량이 크고 수명이 길다는 장점이 있으며 충격에도 강하다. 하지만 축전지를 완전히 방전하지 않고 충전을 하게 되면 남아있는 잔량을 사용하지 못하게 되는 메모리 효과 현상이 발생된다.

알칼리축전지 내부 구조 / 출처 : 해시넷

니켈카드뮴축전지 화학반응식

 

 마지막으로 리튬이온(Li-ion)축전지는 양극이 알루미늄코일에 리튬산화물을 코팅하고 음극에 구리코일에 탄소를 코팅하여 그 사이에 절연체를 넣어 전해질 속에 넣은 구조로 이루어져 있고 주로 보조배터리, 스마트폰 등에서 사용된다. 리튬이온축전지는 셀당 3.6V 전압을 가지며, 기존의 축전지들 보다 가볍고, 에너지 밀도가 높으며 고전압이 가능하며 환경친화적이다는 장점이 있다. 문제는 과충전 시 내부 전극에 쇼트가 발생하거나 충격을 주면 폭발할 수 있다는 단점이 있으며 충전과 방전이 많아지면 경우 성능이 급격하게 떨어진다는 단점이 있다.

리튬이온배터리 내부 구조 / 출처 : 다음 전자신문

리튬이온배터리 화학반응식

 

 축전지의 용량은 UPS와 같이 일시적으로 부하를 담당할 때 부하에 알맞은 용량을 산정하는 것이 중요하며 공식은 다음과 같다.

축전지 용량 공식

 

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