* 전지의 개념(Concept)
전지(battery)는 내부 활물질의 화학에너지(chemical energy)를 화학적 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 기기이다. "전지"라는 용어는 두 개 이상의 전기화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만 보통 단위전지(single cell)에도 사용한다. 전지는 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져 나갈 수 있도록 특별한 내부구조로 이루어져 있으며 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기에너지의 원천이 되어 우리에게 필요한 전기를 제공한다.
* 전지의 구성요소(Component)
전지는 전해질과 전해질에 담겨져 있는 양극 과 음극이라는 활 물질 그리고 분리막으로 구성된다
-양극 : 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극
-음극 : 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극
-전해질: 활물질의 환원 반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질이동이 일어나는 매개체
-분리막: 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지키 위한 격리판
* 전지의 원리(Principle)
전지의 음극은 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이며, 양극은 전자를 받아 (양이온과 함께) 자신은 환원되는 물질이다. 전지가 외부 load와 연결되어 방전 반응을 진행할 때 두 전극은 각각 전기화학적으로 반응하여 전기에너지로 변환한다. 이때 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 load를 경유하여 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원반응을 일으키며, 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 음이온과 양이온의 물질이동에 의해 전해질 내에서 완성된다. 전지를 사용함에 따라 전지의 전압은 계속 낮아지고 결국 외부 load를 작동시킬수 없을 때까지 반응을 한다
* 전지의 분류
* 이차 전지에 대한 이해
전지를 간단히 분류하면 1회 사용 타입의 일차전지, 충전해 반복해 사용할 수 있는 이차 전지, 미래 전지로 기대되는 연료 전지로 나누어집니다. 대표적인 이차전지로는 NiCd, NiMH, Li-Ion, Li Polymer전지 등이 있습니다. 각각의 구성 및 특성을 표로 살펴보게 습니다.
* 전지의 역사(History)
정보시대가 개막되는 데 결정적인 역할을 하고 있는 것이 바로 전지다. 장난감에서부터 첨단제품에 이르기 까지 모든 휴대형 전자제품에는 전지가 필요하다. 하지만 전지는 사용시간에 한계가 있다.
휴대폰이나 노트북PC, 휴대형 카세트등 휴대형 제품을 사용하다가 전지가 떨어져 낭패를 보거나 사용을 중지하고 가방속에 집어넣어야만 했던 경험이 누구에게나 한번쯤은 있을 것이다. 그렇다고 전지를 바리바리 싸가지 고 다니면서 쓸 수도 없는 일이다.
휴대하기 편하도록 가볍고 부피도 작으면서 오래 사용할 수 있는 전지를 개발하기 위한 노력이 끊임없이 이어지고 있는 것은 바로 이런 이유에서다 전지의 역사는 상당히 길다.
역사상으로는 1800년 개발된 볼타전지가 최초의 전지인 것으로 알려지고 있다. 그러나 2천여년 전의 한 유적지에서 항아리에 톱밥 및 황산 등을 층층이 넣은 만든 항아리전지가 발견되고 있다.
인류가 전지를 사용하기 시작한 것은 최소한 2천여년 전의 일인 것이다. 요즈음 사용하는 전지 가운데 가장 오래된 전지는 양극활물질로 이산화망간 (MnO₂)을 사용하고 음극재료로 아연(Zn)을 쓰고 전해액으로 NH₄Cl과 ZnCl₂를 혼합한 중성염수용액을 사용한 망간전지다.
이 전지는 1868년 개발돼 1880년에 상용화된 것으로 이후 외장재질 및 봉구방법이나 양, 음극활물질의 개선을 통해 현재까지 사용되고 있는데 소비전력이 적은 용도에서 가격대비 사용시간 특성이우수해 현재도 1차전지 생산량의 60% 가량을 차지하고 있을 정도로 널리 사용되고 있다.
- 1789 개구리 다리로 부 터 전지 현상 발견 (Galbani(Italy))
- 1799 구리-아연 전지 발명 (Cu/H2SO4/Zn,Volta(Italy))
- 1860 연축전지 발명(PbO2/H2SO4/Pb,Plante'(France))
- 1867 망간 건전지의 원형 발명(MnO2/NH4Cl.ZnCl2/Zn,Lechlanche France))
- 1880 Faure',paste식 극판에 의한 연축전지 제조법 특허, 연축전지 산업생산 개시
- 1888 망간 건전지 발명 (Gassener(Germany),헤레센스(Denmark))
- 1899 니켈-카드뮴 전지 발명 (NiOOH/KOH/Cd,Jungner(Sweden))
- 1899 니켈-아연 전지 발명 (NiOOH/KOH/Zn)
- 1900 니켈-철 전지 발명 (NiOOH/KOH/Fe,Edison(USA))
- 1909 알카리 망간전지 발명(MnO2/KOH/Zn)
- 1917 공기 아연전지 발명(O2 in Air/KOH/Zn)
- 1942 수은전지 발명(HgO/KOH/Zn)
- 1947 밀폐형 니켈-카드뮴 전지 발명
- 1949 알카리 망간전지실용화
- 1962 밀폐형 수소전지발명
- 1970 리튬 1차전지실용화
- 1970 미국 GM Delco 칼슘 MF 연축전지 개발
- 1973 이산화망간-리튬 1차전지 실용화(MnO2/LiClO4/Li)
- 1981 리튬 이온2차전지발명
- 1990 리튬 이온2차전지실용화,생산개시(일본 SONY사)
- 1990 밀폐형 니켈-수소전지실용화(NiOOH/KOH/MH)
- 1990 미국 켈리포니아주 대기정화법(Clean Air Act)통과세계각국 전기자동차용 전지 본격적인 개발 착수.
- 1995 수은전지 생산중지.
- 2002 LIPB, ALB, Smart Battery, Li-Polymer, 초박형 리튬이온전지(파워셀) 개발
*메모리효과(Memory Effect)
니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하며 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름을 나타낸다.
여기서 shallow charge-discharge(만충전후 조금만 사용하고 다시충전하는 것)를 몇번만 반복하게 되면 충방전이 반복된 그 위치에 고용체가 생성이 되게 되어 새 전지라도 용량이 뚝 떨어지게 되는 것입니다.
비가역성인 고용체는 생성이 되면 다시 되돌아 가지 못하고 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이처럼 전지가 마치 사용할 수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 효과를 메모리 효과(Memory Effect) 라고 한다. 따라서, Ni을 포함하고 있는 전지(Ni-cd, Ni-MH)는 만충전하였다가 완전히 바닥날 때까지 사용하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법이다. (단 전지가 허용하는 방전의 범위까지만 ) 그러나 리튬이온의 경우 메모리 효과 현상이 없으므로 사용자가 임의대로 주변환경에 따라 수시로 충전하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않는다. 오히려 Ni게 전지와는 정반대로 자기 수명을 유지하는 효과가 있다고 할 수 있다.
이것이 리튬 전지가 비싸지만 Ni-전지보가 수요가 늘어나고 사용자가 찾는 이유이기도 합니다.
* 전지의 수명(Life cycle)
사용후 충전해 다시쓰는 2차 전지 (납축전지 , 니카드 전지, 니켈수소전지, 리튬 이온 전지
