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" Battery " <-- 각 파트별 개요 |
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Battery
몇
년 전까지만 해도, 휴대용 라디오, 셀룰러 전화기, 휴대용 무전기, 랲톱 컴퓨터, 비디오 카메라와 같은 장비에 사용할 수 있는 재충전 배터리는
니켈 카드늄(NiCd)이 유일하였다. 그러나 지금은 보다 더 오랜 시간 동안 사용하길 원하는 요구로 인해서 니켈 카드늄 전지의 거의 두 배의 에너지를
갖고 있는 새로운 배터리가 많이 등장하였다. 차세대 배터리의 등장이 니켈 카드늄 전지를 완전히 대체할 수 있을까? 해답은
아니다. 최소한 지금은 대체할 수 없을 것이다. 하나의 문제를 해결하기 위한 발명은 곧 새로운 문제를 낳기 마련이다. 안정적으로 사용되는 배터리를
개선하여, 더 큰 에너지를 수용하도록 셀의 성능이 향상되었음에도, 부하전류나 충전의 용이성 및 사용가능한 충전회수 등의 특성은 오히려 나빠지게
되고, 유지비용까지도 증가하게 되었다. 부단한 연구의 결과로 독특한 장점을 갖는 여러 가지 전해질이 개발 되었지만, 어느 것 하나 완전한 만족을 주지는 못하고 있다. 오늘날 가장 널리 유통되고 있는 배터리들은 다음과 같다.
<그림 1>은 위 6가지 배터리들의 특성을 비교한 것이다.
그림의 배터리들은 이 글이 쓰여질 당시에 일반적으로 구입할 수 있는 것들을 대상으로 한 것이다.
1 충전회수는 배터리가 정기적 관리(30일에 1회)를 받는다고 가정한 것이고,
주기적으로 완전방전을 시켜주지 않으면 충전회수가 감소할 수 있다. 2 충전회수는 방전의 정도에 따라 결정된다. 완전 방전을 시키는 것보다 사용중
수시로 충전을 시켜야 충전회수가 늘어난다. 3 자가방전은 최초 24시간 이후에 최대가 되었다가 그 후에 점차 작아진다.
NiCd는 최초 24시간동안 10%가 방전되고, 그 이후에 매30일에 10%정도씩 방전된다. 자가방전량은 고온에서 증가한다. 4 내부보호회로가 일반적으로 한달에 3%의 자가방전을 시킨다. 5 1.25V가 공식 셀전압이지만, 지금은 1.2V도 일반적으로 많이 쓰인다.
각각의 셀에는 차이가 없다. 6 양(+)극 전해질에 따라 2.5-3.0V가 된다. 7 부하전류의 경우는 1C까지 가용하다. 8 방전시에만 적용되고 충전시에도 더욱 제한적이다. 9 관리는 토핑(topping) 충전 방식을 사용한다. 10 배터리 가격을 충전회수로 나누어 계산된 것이다. 충전기의 가격이나 전기사용료
등은 포함되지 않는다. 비 고 : 흥미로운 것은 NiCd의 충전시간이 가장 짧고, 가장 높은 부하
전류를 가지고 있으며, 충전회수당 비용이 가장 낮은 반면 가장 잦은 주기적 관리를 필요로 한다는 것이다. 특정 전해질을 갖는 배터리도 사용기기의 용도에 따라 다양한 종류의 셀 형태가 가능하다. 어떤 셀은 용량을 최대로 하기 위한 것도 있고, 어떤 것들은 완전한 충/방전 상태조건에서 높은 전류를 가능하도록 설계되기도
하며 매우 높거나 낮은 온도에서도 작동가능하도록 만들기도 한다. 셀의 동작특성은 제조자에 따라서 달라지기도 한다. 현재 NiCd이 셀의 형태와
크기를 선택할 수 있는 폭이 가장 넓다고 하겠다. 원하는 전압을 얻기 위해서 여러개의 셀이 직렬로 연결되기도 한다. 높은
전류용량(Ah)을 얻기 위해서는 병렬연결을 하기도 하지만, 용량이 더 큰 셀을 선택하는 것이 더 효과적이다. 12개 이상의 셀로 된 것보다는 적은수의
셀을 직렬로 연결한 것이 더 나은 성능을 갖는다. 마치 체인처럼, 연결 고리가 많으면 많을수록 하나가 끊어질 가능성은 더 커진다. 전체적으로 보면,
25V를 내기 위해서 작은 1.25V AA NiCd셀 20개가 연결된 배터리가 7.5V 용량의 C셀 6개로 만들어진 것 보다 장애발생 가능성이
더 높다는 것이다. 셀 매칭도 역시 매우 중요한 문제가 되는데, 특히 12개 이상의 셀이 직렬로 연결될 때는 더욱 그러하다. (5.3 참고) 1. 니켈 카드늄 (NiCd) 배터리 알카라인 니켈 배터리의 기원은 1899년 Waldmar Jungner가
니켈 카드늄 배터리를 발명한 때로 거슬러 올라간다. 당시 사용되던 이 재료는 다른 배터리와 비교해서 가격이 비싸, 특별한 기기에만 제한적으로 사용되었다.
1932년에는 니켈이 도금된 삼투성이 있는 전극에 활성물질을 넣었고, 1947년에는 전지 내부에 충전하는 동안 생성된 가스가 재결합 되게하는 밀폐
NiCd 배터리에 대한 연구가 시작되었다. 이러한 발전으로 인해서 현재 쓰이는 밀폐 NiCd 배터리가 만들어 진 것이다. NiCd 배터리는 휴대용 무전기, 라디오, 응급 의료기구, 비디오 카메라
등에 아직도 많이 사용되고 잇는데 휴대용 기기의 경우는 50% 이상이 NiCd 배터리라고 보면 된다. 새로운 배터리의 등장으로 NiCd의 사용
추세는 약간 감소하고 있으나 이들 새로운 제품의 한계를 사용결과로 인식하게 되었고, NiCd에 대한 새로운 관심으로 연결되고 있다. 다른 배터리들에 비해서 다음의 뛰어난 특성을 갖고 있다.
NiCd는 매우 튼튼하고 묵묵한 일꾼이라고 할 수 있다. 매우 힘든
일도 아무런 문제없이 해낸다. NiCd 배터리는 서서히 충전하는 것 보다는 급속충전이 좋고, DC 충전 보다는 Pulse 충전이 더 좋다. 성능을
향상시키기 위해서는 충전 펄스간에 방전펄스를 중간중간 집어넣는 것이 좋다. 일반적으로 역부하 충전이 선호되는데, 이 충전 방법은 전극에 높은 활성화
표면 영역을 촉진하기 때문에 성능을 향상시키고, 충전회수를 증가시키게 된다. 역부하는 또한 충전하는 동안에 생긴 가스를 재결합시켜주기 때문에 급속
충전을 개선시켜 준다. 일반적인 DC 충전 보다는 이 방법이 더 효과적인 충전이라는 것이다. 역부하의 또 다른 중요한 목적은 배터리 성능과 충전회수를 늘리기 위해서 전극에 생성되는 크리스탈 라인의
형성을 최소화시키는 것이다. (그림 10참고: NiCd 셀의 크리스탈 라인 형성). 독일에서 수행된 연구를 보면
역부하가 NiCd 배터리의 수명을 15% 정도 증가시켜 주는 것으로 나타났다. NiCd 배터리는 특성상 오래도록 충전되다 짧은 기간 동안 가끔씩 사용되는
것을 좋아하지 않는다. 사실 NiCd는 주기적으로 완전히 방전시켜 줘야만 최고의 성능을 발휘하는 유일한 형태의 배터리 이다. 다른 배터리들은 모두
얕은(shallow) 방전이 더 좋다. 더욱 중요한 것은 주기적인 완전 방전으로, 만약에 이것이 생략되면, 셀 판에 커다란 크리스탈이 형성되어(이를
메모리라고도 한다.) NiCd는 서서히 성능이 떨어지게 된다. (4절 배터리 관리 참고) 2. 니켈 메탈 수소(NiMH) 배터리 니켈 메탈 수소(NiMH)에 대한 연구는 70년 대에 시작 되었지만 메탈
수소 합금은 셀 구조에는 알맞지가 않았고 바람직한 성능을 내기도 어려웠다. 결국, 니켈 메탈 수소의 발전은 느리게 이루어졌고, 1980년대에 들어서
셀 구조에서도 충분히 안정적인 새로운 수소 흡착 합금이 개발되었다. 80년대 말 이후, 충전 에너지량의 측면에서 니켈 메탈 수소 전지는 지속적으로
개선되었다. 기술자들은 니켈 메탈 수소가 잠재적으로 더 높은 에너지량을 가지고 있다고 주장해 왔다. 오늘날 니켈 메탈 수소의 주요 장점은 다음과 같다.
그러나 니켈 메탈 수소는 니켈 카드늄 보다 못한 단점이 많이 있다. 예를
들면 다음과 같다.
이 단점은 요구되는 부하전류가 낮으면 문제가 되지 않지만 디지털 이동전화처럼 높은 용량이나 펄스 부하를
필요로 하는 경우 개선된 NiCd가 보다 나은 선택이 될 것이다.
3. 밀폐형 납산 (SLA) 배터리 납산 배터리는 1859년 프랑스의 과학자 가스통 프랑떼(Gaston
Plante)에 의해 발명된, 최초로 상업적으로 쓰이기 시작한 배터리이다. 현재, 액체 납산 배터리가 자동차 및 기타 중장비에 사용되고 있다.
대부분의 이동용 장비들은 밀폐되거나 밸브가 조정되는 것을 사용하는데 그 중의 하나가 gelcell이라는 상표로 판매되는 제품이다. 원래의 납산 배터리와는 달리, SLA는 충전하는 동안 가스가 발생하여 전지내부의
수분이 고갈되는 것을 방지하기 위해 낮은 과전압(low-over voltage) 방식으로 설계되었다. 따라서 SLA는 긴 저장기간을 가질 수 있지만,
최대 용량으로 재충전 될 수가 없다. 충전배터리 중에서 SLA는 가장 낮은 에너지 밀도를 가지고 있다. SLA는 일반적으로 대용량의 전기(bulk power)가 필요하고,
전지의 무게가 문제가 되지 않으며, 가격이 낮아야 하는 곳에 사용된다. 적용가능한 기기의 범위는 1Ah에서 30Ah이며, 휠체어나 UPS 유니트,
비상조명 기구 등에 사용된다. 일부 이동 가능한 셀룰러 전화기나 캠코더에도 SLA가 사용된다. 자가방전이 적고 주기적 관리가 필요없다는 특성 때문에,
SLA는 의학용 기기에 이용된다. 고정장치에 사용되는 더 큰 SLA 배터리의 용량은 50에서 200Ah이다. SLA는 메모리 현상이 없다. 배터리를 장시간동안 충전 상태로 놓아두어도
아무런 문제가 발생 되지 않는다. 충전효율도 재충전 배터리 중에서 가장 좋다. 반면에 니켈 카드늄 배터리의 충전 에너지의 약 40%가 3달안에
자가 방전되어 버리지만 SLA는 같은 양의 자가방전에 1년이 소요된다. SLA의 초기 구매비용이 비싸지는 않지만 사용하는 방법이 완전 충전, 완전
방전을 반복하는 것이 필요하다면 니켈 카드늄 보다 더 비싸게 된다. SLA는 급속충전이 적합하지 않다. 일반적인 충전시간은 8시간에서
16시간이다. SLA는 항상 충전된 상태로 보관되어야 한다. 방전상태로 놓아두면 전극이 황산화를 일으켜서 재충전이 전혀 불가능하거나 충전하기 어려운
상태로 만들어 버리게 된다. 니켈 카드늄과는 달리, SLA는 큰 폭의 충/방전을 좋아하지 않는다. 완전
방전은 전지 내부 극판이나 분리막 같은 것들을 변형시킬 수도 있다. 사실 각 충/방전 주기는 배터리에서 매번 약간씩의 용량을 줄여버린다. 이 손실은
배터리 상태가 좋을 때는 매우 작지만, 용량이 전체의 80% 이하로 떨어지면 이 때 부터는 심각한 상태가 되어 버린다. 이런 성능저하 특성은 다른
종류의 재충전 배터리에도 일어난다. 큰 폭의 방전으로 인한 전지내부 변형을 완화시키기 위해서 보다 큰 용량의 SLA 배터리 사용이 효율적이다.
방전의 폭과 운용 온도에 따라서 SLA는 200에서 500회 정도의 충/방전
주기를 제공한다. 다른 충전용 배터리에 대해 상대적으로 사용기간이 짧은 주 이유는 셀 내부의 화학적 반응으로 인해서 전지 내부의 양(+)극판이
팽창하기 때문이다. 이런 현상은 온도가 높을수록 더 잘 나타난다. 충/방전 주기를 조정하는 것으로는 이런 팽창을 막을 수도 없고, 큰 폭의 충방전
주기가 이런 팽창세를 역전시킬 수도 없다. 그러나 SLA의 성능을 개선시키는 방법이 없는 것은 아니다. SLA의 또 다른 단점이라면 다른 재충전 배터리에 비해서 에너지 밀도가
상대적으로 낮아서, 작은 크기의 기기에는 사용하기가 어렵다는 점이다. 이 단점은 낮은 기온에서 더욱 치명적으로 드러나는데, 왜냐하면 높은 부하전류를
내는 성능은 영하의 기온에서는 더욱 감소되기 때문이다. 역설적이지만, SLA는 고율의 펄스 방전에서는 더 좋은 성능을 낸다. 이런 펄스가 주어지는
동안은 1C 이상의 방전율을 낼 수가 있다. 다량의 납성분 때문에 SLA는 환경친화적인
제품은 아니지만 제대로 폐기 되지 않을 경우에 환경에 미치는 영향은 니켈 카드늄 보다는 조금 덜하다. 4. 리튬 이온 (Li-ion) 배터리 리튬 배터리에 대한 연구는 1912년 르위스(G. N. Lewis)에 의해
시작되었지만, 최초의 일회용 리튬배터리는 1970년대 초반에야 되어 상업적으로 사용이 가능해졌다. 리튬 배터리를 재충전하려는 시도는 80년대에도
계속되었지만 안전상의 문제로 인해서 실패하였다. 리튬은 가장 가벼운 재료이며, 가장 큰 전기적 잠재력을 가지고 있을 뿐만
아니라 가장 큰 에너지 용량을 제공한다. 전극에 리튬 메탈이 사용되는 재충전 배터리는 높은 전압과 엄청난 용량을 동시에 제공할 수 있어 특별히
높은 에너지 밀도를 제공한다. 80년대 수많은 연구를 통해서, 전지 내부에 생성되는 리튬 결정으로
인하여 종종 단락이 발생하여 열이 급속히 상승할 수 있음을 알게 되었다. 셀의 온도는 격렬한 반응을 일으켜 리튬을 녹일 수 있는 온도까지 급속하게
상승한다. 1991년에는 일본에 보급된 셀룰러 전화기의 리튬 전지가 폭발하여 사람의 얼굴에 상처를 입히게 되어, 다량이 일본으로 리콜되었던 일도
있다. 특히 충전시에 발생하는 리튬 메탈의 불안정성으로 인해서, 리튬이온에 리튬-코발트
산화물(LiCoO2)같은 비철물질을 연구하기 시작한다. 리튬메탈 보다 에너지 밀도는 약간 낮아도, 충/방전시의 폭발 예방조치를
취하면 리튬이온은 안전하다. 1991년 소니는 리튬이온을 상업화하고 지금은 이 배터리의 최대 공급자가 되었다. 리튬 이온의 에너지 밀도는 니켈 카드늄의 거의 두 배에 달하고, 부하전류는
상당히 높다. 사실 리튬 이온은 방전특성이 니켈 카드늄과 매우 유사하다. 또한 리튬이온은 상대적으로 자가 방전율이 낮다. 안전과 내구연한 연장을 위해서, 각 배터리 팩에는 충전 시 셀의 최대전압을
엄격히 제한하고, 방전시에 셀의 전압이 너무 낮아지지 않도록 방지하는 조절 회로가 갖추어져야 한다. 또한 최대 충/방전 전류는 제한되어야 하며,
셀의 온도를 감지할 수 있어야 한다. 이런 예방조치를 통해서 과충전으로 발생할 수 있는 메탈 리튬의 금속이온 생성이 방지될 수 있다. 현재 두 가지 형태의 리튬이온 배터리가 있다. 소니는 코크(coke)형을
채택하고 있고 그 외 대부분의 제조업자들은 그래파이트(graphite)형을 채택하고 있다. 신 그래파이트 전극은 코그형 보다 평평한 방전 곡선을
나타내며, 방전이 끝나는 시점에서는 급격하게 전압이 하락하는 특성을 보인다(그림 2 참고). 결국, 그래파이트형은 셀 당 3.0V에서 방전이 종료되지만,
소니의 코크형은 최대용량을 얻기 위해서는 2.5V에서 방전이 종료되어야 하는 것이다. 그리고, 그래파이트형은 코크형에 비해서 높은 방전전류를 내고
충/방전시 냉각이 유지된다. 그래파이트형이 3.0V의 더 높은 전압에서 방전이 끝나는 것은 에너지가
안정적인 고전압 범위 에 집중되므로 기기 디자인을 단순하게 해 주는 장점이 된다. 2000년까지는 1셀 방식의 그래파이트형이 대부분의 셀룰러 전화기가
필요로 하는 전원을 공급할 수 있고, 노트북 컴퓨터가 필요로 하는 용량도 곧 제공할 것으로 예상된다. 배터리 제작사들은 지속적으로 리튬이온 배터리의 성능을 개선시키고 있다.
리튬이온 배터리의 용량을 두 배 가량 늘릴 수 있을 것으로 기대되는 새로운 음극 전해질이 개발되고 있으며 리튬 메탈에 버금가게 리튬이온 전지의
성능을 개선 하면서도 안전성을 유지하기 위한 연구도 필요하다. 리튬-이온은 현재 가장 비싼 배터리의 하나이다. 2000년 이후, 제조기술이
발달하고 코발트를 대체할 물질이 개발되면 현재 가격보다 50%이상 줄일 수 있을 것이다. 성능을 개선할 가능성이 있는 다른 리튬-이온 배터리들도 선을 보이고 있다.
후지필름에 따르면, 통상 카본을 이용하는 배터리 보다 주석합성 산화물을 이용하여 음극을 제조하면 지금보다 50% 이상 용량을 증가시킬 수 있다고
한다. 다른 사람들은 주석을 이용한 배터리의 장점을 다음과 같이 이야기하고 있다. 안전을 향상시키며, 급속충전을 가능하게 한다. 부하특성을 좋게하고,
낮은 온도에서도 좋은 성능을 발휘하게 한다. 새로운 물질의 발견으로 단점도 나타날 것으로 예상할 수 있지만 일반적으로 초기에는 잘 부각되지 않는
경향이 있다. 주의: 리튬 이온 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 갖는다. 취급 및 실험시에는
조심해야 한다. 회로를 단락시켜서는 안되며, 과충전, 파손, 절단이 금지된다. 극성을 반대로 연결하거나 높은 온도에 노출시키거나 분해해서는 안된다.
잘못 사용하여 표면 온도가 상승하게 되면 신체적 손상을 입게된다. 5. 리튬 폴리머 (Li-polymer) 배터리 리튬 폴리머 배터리는 현재 개발 중에 있으며 2000년께 상용화 될 것으로
보인다. 리튬 폴리머 배터리의 발단은 고체 전해물질을 이용하자는 데 있다. 이런
디자인은 구조의 단순화, 튼튼함, 안전성 그리고 낮은 비용 등에 큰 이점을 제공해준다. 또한 리튬이온이나 메탈릭 리튬 배터리에서 사용되는 액체
전해물질의 높은 인화성을 피할 수 있게 해 준다. 그러나 고체 중합체는 도전율에 한계가 있기 때문에 고체 전해물질에 부수적으로 유동체를 첨가해야
한다. 완전히 개발이 끝나게 된다면, 리튬 폴리머는 니켈 카드늄 전지에 비해서
3배 이상의 에너지 밀도를 가지게 될 것이고 자가 방전율도 매우 낮을 것이다. 그리고, 폴리머 전해물질을 사용하면 디자인을 매우 자유스럽게 할
수가 있어서 두께가 1밀리 정도 밖에 안되는 셀을 만들 수도 있게된다. 탄력적인 고무와 비슷한 모양의 배터리를 제조할 수 있게 되어, 매우 좁은
공간에 끼워 맞출 수도 있게 될 것이다. 리튬 폴리머 배터리의 부하 전류 용량은 리튬이온 보다는 훨씬 낮다. 충전회수는
형태에 따라 다르지만 상당히 낮고, 특히 깊은 방전이 이루어질 때 더 낮아진다. 리튬 폴리머의 충/방전 특성은 충전시간이 8-16시간인 SLA와
상당히 유사할 것이다. 대량생산이 시작된다면 가격은 상당히 낮아질 것으로 보인다. 6 알카라인 배터리 재충전 알카라인 배터리의 발상은 그리 새로운 것이 아니다. 제조업자가 보증하는
것은 아니지만, 비행기의 조명등에 사용되는 알카라인 배터리는 이미 15년전부터 재충전되는 것이었다. 그러나 일회용 알카라인 배터리는 재충전시에
수소가스가 생성되어 폭발할 위험이 있다. 재사용이 가능한 알카라인 배터리와 표준형 알카라인 배터리는 에너지 밀도에 큰 차이가 있다. 표준형은 최대 밀도를 가지고 있지만 재충전 알카라인은 첫 재충전 이후에는 에너지 밀도가 낮아진다. 재충전 알카라인 배터리의
수명은 방전의 폭과 밀접한 관계가 있다. 방전을 깊게 하면 할수록 수명도 짧아진다. 배터리 전문회사인 Cadex사의 실험에서 AA형 셀은 최초 방전시 매우
훌륭한 성능을 보여주었다. 에너지 밀도도 동일한 니켈 카드늄 보다 훨씬 높았다. 그러나 최초 방전 후에 제조업자의 충전기로 재충전했을 때 니켈
카드늄 보다 약간 낮은 약 60% 수준으로 충전되었다. 같은 방법을 반복하면, 각 충/방전 사이클 마다 조금씩 용량이 줄어든다. 이 실험에서는
AA형 셀이 사용되었고, 방전전류는 200㎃에 맞추어졌으며 (0.2 C율 혹은 용량의 1/15) 방전 종료 전압은 셀당 1볼트에 맞추어졌다. 재충전 알카라인 배터리의 또 다른 한계는 400㎃의 낮은 부하전류 능력이다(400㎃
보다 더 낮은 전류로 사용하면 사용시간은 연장된다). 휴대용 라디오, CD플레이어, 조명등에는 적당하지만 대부분의 셀룰러 전화기나 무전기의 송수신기에는
400㎃는 불충분하다. 재충전 배터리의 가격은 매우 낮지만 니켈 카드늄과 비교할 때 충/방전 회수당
비용은 높은 편이다. 1500사이클 기준으로 니켈 카드늄은 사이클 당 $0.04가 소요되나, 10사이클이 가능한 알카라인 배터리의 비용은
$0.50에 달한다(그림 1 참고). 많은 경우에는 이 가격도 일회용 전지를 사용하는 것보다는 매우 저렴한 것이다. 표준형 알카라인과 재충전 알카라인의 운용비용을 비교하기 위해서, 병원용
조명등에 대한 연구를 살펴보자. 자주 사용하지 않는 조명등은 재충전 알카라인을 사용하면 크게 비용을 줄일 수 있다. 반면에 항상 켜두어야 하는
조명등은 동일한 결과를 얻지 못한다. 큰 폭의 방전이 이루어지고, 더 자주 재충전해야 하는 것은 표준 알카라인 배터리에 비해서 수명을 단축시키고
비용절감이 다시 상쇄되어 버리게 된다.
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최종편집일 2003년 2월 19일 강완신
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