이차 전지 축전지 리튬 이온 폴리머 전지

이차 전지(rechargeable battery, storage battery, secondary cell), 이전 명칭 축전지(蓄電池)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지(primary cell)에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다. 이차 전지는 표준 AA, AAA, C, sub_C, D, 9볼트 등의 규격으로 생산 · 판매되고 있으며, 이러한 종류의 전지를 구매하는 소비자들 또한 이에 친숙해 있다. 여러 번 충전할 수 있다는 것이 장점이지만 일차 전지에 비해 더 비싸고 이러한 전지에 쓰이는 화학부나 금속의 독성이 더 강한 편이다. 반면 일차 전지는 환경에 영향을 주는 독성 물질을 땅에 축적하지 않는다. 니켈 수소 축전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 주장하고 있다.

 

• 이차 전지는 충전 후에 자가 방전(self discharge)에 의해서 에너지를 잃는 속도가 일차 전지에 비해서 매우 높기 때문에 사용하기 전에 충전해야 한다.
• 일회용 전지에 충전을 시도하면 전지 폭발의 가능성이 있으니 주의해야 한다.
• 어떠한 종류의 이차 전지(예: 리튬이온전지)는 완전히 충전되었을 경우 역 충전이라는 위험에 노출된다.
• 또 다른 종류의 이차 전지(예: 니켈-카드뮴 전지)는 용량을 유지하기 위해 주기적으로 충분히 방전해 주어야 한다.
• 이차 전지는 현재 높은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 여기에 더 응용하여 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 이러한 전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
• 니켈-카드뮴 전지는 기억 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지 축전 용량이 줄어든다.
  
  

종류별 특징

종류별 특징

• 자연방전 : 사용하지 않아도 시간이 지나면 방전되는 현상
• 메모리 효과 : 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대 충전 용량이 줄어드는 현상

이차 전지 원리

니켈 카드뮴 전지

니켈 카드뮴 전지는 니켈과 카드뮴을 전극으로 사용하는 이차 전지의 한 종류이다.

1899년에 스웨덴의 융 네(Jungner)가 처음으로 개발하였는데, 방전 과정에서 산화 전극 및 환원 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다. 산화 전극 (-극) Cd(s) + 2 OH-(AQ) → Cd(OH) 2(s) + 2 e- 환원 전극 (+극) 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) + 2 e- → 2 Ni(OH) 2(s) + 2 OH-(AQ) 전체 반응은 아래와 같고 전압은 1.2 V에 해당한다.

충전 과정에서는 위에서 제시한 반응의 역반응이 일어난다. Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) → Cd(OH) 2(s) + 2 Ni(OH) 2(s)

니켈 금속 수소 전지

Ni-MH 전지는 기존의 Ni-Cd 전지에서 Cd 극을 수소저장합금으로 대체한 것으로서 음극에 수소저장합금(M), 양극에 수산화니켈(Ni(OH)2/NiOOH)이 사용되며, 분리막으로는 Ni-Cd 전지와 같은 내알칼리성의 나일론 부직포, 폴리프로필렌 부직포 및 폴리아마이드 부직포 등이 사용되고 있다. 또한 전해액은 이온전도성이 최대로 되는 5∼8M KOH 수용액이 사용되고 있다.

충전 시 음극에서는 물이 전기 분해되어 생기는 수소이온이 수소저장합금에 저장되는 환원반응이, 양극에서는 Ni(OH)2가 NI OOH로 산화되는 반응이 일어난다. 방전 시에는 역으로 음극에서는 수소화합물의 수소 원자가 산화되어 물로 되고, 양극에서는 NI OOH가 Ni(OH)2로 환원되는 반응이 일어난다.

니켈 양극이 완전히 충전된 후에도 전류가 계속 흐르면, 즉 과충전되면, 양극에서는 산소가 발생한다. 그러나 음극의 용량이 양극보다 크면, 발생한 산소가 음극 표면으로 확산하여 산소 재결합반응이 일어나게 된다. 음극에서는 산소를 소비시키기 위하여 수소가 감소하게 되어 동일한 전기량이 충전되므로 전체적으로는 변화가 없다. 역으로 과방전이 되면, 양극에서는 수소가 생성되고 이 수소는 음극에서 산화되므로 전체적으로 전지해 압은 상승하지 않는다. 이처럼 Ni-MH 전지는 원리적으로는 과충전과 방전시 전지 내압이 증가하지 않고, 전해액의 농도가 변하지 않는 신뢰성 높은 전지이다.

 

리튬이온전지

(＋)전극은 리튬-망간 산화물(Li-Mn-Oxide), (－)전극은 탄소(예를 들면 흑연)가 사용된다.

두 전극 사이에는 리튬 염이 용해되어 리튬-이온의 이동을 용이하게 하는 유기질 전해액(액체)이 채워져 있다. 두 전극은 각각 원자의 격자구조에 리튬-이온을 저장할 수 있다.

리튬-이온 전지는 (+)극으로 LiCoO2를, (-)극으로 탄소를 사용하며 충전-방전 때의 반응은 다음과 같다. 충전은 전기분해 하는 것이다. 리튬이온 전지에 공급되는 전기에너지는 (+) 전극에서 리튬이온이 퉁겨져 나오고, (–) 전극에서 금속 리튬으로 석출되는데 사용된다. 별도의 전원 장치를 연결해 배터리를 `충전`하는 것은 양극에서 음극으로 전자를 이동시키는 과정으로 보면 된다. 리튬-이온은 리튬-금속산화물 격자(＋전극)로부터 격리 판을 거쳐 흑연 격자(－전극)로 이동하여, 흑연 격자에서 전자와 결합한다. (+ 전극) LiCoO2 → Li1-xCoO2 + x Li+ + x e (- 전극) x Li+ + x e + 6C → LixC6

방전할 때, 리튬-이온은 전자를 흑연전극(－)에 남겨두고 다시 (＋)전극인 산화물 전극으로 이동한다. 리튬이온과 분리된 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생하게 된다. 방전하는 동안에 반쪽 전지 반응은 다음과 같다. (- 전극) 산화전극(산화반응) : Li (s)→Lⅈ^++ⅇ^- (+ 전극) 환원전극(환원반응): Lⅈ^++CoO_2+ⅇ^-→LⅈCoO_2 (s) 여기서 유의해야 할 점은 리튬-이온 전지의 충전-방전 시 리튬 이온 자체는 (+)극과 (-)극을 오갈 뿐 산화되지 않는다는 것이다. 산화 환원에 참여하는 것은 코발트이다. 충전 때에는 CO2+가 산화되어 Co4+고 되고, 방전 때에는 Co4+가 환원되어 CO2+고 된다.

 

리튬 이온 폴리머 전지

리튬 이온 폴리머 전지는 리튬 이온 전지인데 젤 타입의 고분자 (Polymer)가 양극과 음극 사이의 분리막을 구성하며, 전해질의 역할까지 하는 것을 말한다. 리튬이온과 차별화를 두기 위해서 폴리머라는 이름을 추가한 것뿐이고, 작동원리는 같다.