배터리의 종류 및 특성

배터리(Battery)

배터리는 에너지를 저장하고 필요할 때 전기를 공급하는 장치로, 다양한 종류가 있습니다. 각 배터리 종류는 사용되는 화학 물질, 저장 용량, 수명, 크기, 무게, 비용 등에서 서로 다른 특성을 가집니다. 주요 배터리 종류별 특성을 간략하게 설명하겠습니다.

 

1 납축전지 (Lead-Acid Battery)

납축 배터리는 가장 오래된 형태의 충전 가능한 배터리 중 하나로, 1859년 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테(Raymond Louis Gaston Planté)에 의해 발명되었습니다. 이 배터리는 납과 납산화물 전극, 그리고 황산을 전해질로 사용합니다. 납축 배터리는 신뢰성이 높고, 제조 비용이 낮으며, 대규모 에너지 저장이 필요한 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

주요 특징

비용 효율성: 낮은 제조 비용으로 인해 다른 유형의 배터리에 비해 경제적입니다.

고출력: 높은 전류를 짧은 시간 동안 제공할 수 있어, 자동차 시동 배터리로 적합합니다.

유지 보수 요구: 일부 납축 배터리는 정기적인 유지 보수가 필요할 수 있으며, 이는 주로 증발된 물을 보충하는 것을 포함합니다.

무거운 무게: 납축 배터리는 비교적 무겁고, 같은 에너지 용량을 제공하는 다른 배터리 유형에 비해 부피가 큽니다.

재활용 가능: 납축 배터리는 매우 높은 재활용률을 자랑하며, 이는 환경에 미치는 영향을 줄입니다. 하지만 다른 배터리에 비해 수명은 짧은 편입니다.

작동 원리

충전 시, 전해질의 황산이 납과 납산화물 전극과 반응하여 물과 납 황산염을 생성합니다. 방전 시에는 이 과정이 역전되어, 전기 에너지가 생성됩니다. 이러한 화학 반응을 통해 배터리는 에너지를 저장하고 방출합니다.

사용 분야

자동차 산업: 대부분의 자동차에서 시동, 조명, 점화(SLI) 배터리로 사용됩니다.

비상 전원 시스템: 병원, 컴퓨터 데이터 센터, 통신 시설 등에서 중단 없는 전원 공급이 필요한 경우에 사용됩니다.

재생 에너지 저장: 태양광이나 풍력과 같은 재생 가능 에너지원에서 생성된 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있습니다.

이동성 지원 기기: 휠체어, 골프 카트, 전동 스쿠터 등의 전원 공급원으로 사용됩니다.

주의 사항

납축 배터리는 납과 황산과 같은 유해한 화학 물질을 사용하기 때문에 취급 시 주의가 필요합니다. 또한, 배터리가 손상되거나 유지 보수가 부적절하게 수행될 경우 황산 누출이 발생할 수 있으며, 이는 심각한 화학 화상을 일으킬 수 있습니다. 따라서, 적절한 보호 장비를 착용하고, 배터리를 취급할 때는 주의를 기울여야 합니다.

납축 배터리의 재활용은 매우 중요합니다. 납은 독성이 있기 때문에 환경에 방출되지 않도록 적절한 재활용 절차를 따라야 합니다. 다행히도, 납축 배터리는 현재 가장 재활용률이 높은 배터리 유형 중 하나입니다.

자동차에 사용되는 납축전지

 

2 니켈-카드뮴 배터리 (Nickel-Cadmium Battery, NiCd)

니켈-카드뮴 배터리는 니켈과 카드뮴을 사용하는 충전 가능한 배터리 유형입니다. 1899년 발데마르 융너(Waldemar Jungner)에 의해 발명되었으며, 높은 충전률, 긴 수명, 그리고 극한의 온도 조건에서도 견딜 수 있는 능력으로 인해 오랜 기간 동안 다양한 응용 분야에서 사용되어 왔습니다.

주요 특징

고성능: NiCd 배터리는 빠른 충전과 고출력 전달 능력을 가지고 있습니다.

내구성과 신뢰성: 극한의 온도에서도 성능을 유지하며, 견고한 구조로 인해 물리적 충격에 강합니다.

긴 수명: 적절한 관리 하에 수천 번의 충전 사이클을 견딜 수 있습니다.

기억 효과(메모리 효과): 배터리가 부분적으로만 방전된 상태에서 충전을 반복하면, 최대 용량이 저하될 수 있는 '기억 효과'가 발생할 수 있습니다.

* 메모리 효과란 배터리가 완전히 방전되기 전에 반복적으로 충전될 때 일부 배터리 종류에서 발생하는 현상입니다. 이 현상은 배터리가 완전히 충전되지 않은 상태에서 충전을 시작하면, 배터리가 "기억"하게 되어, 실제 용량보다 낮은 용량에서 충전이 완료된 것처럼 작동하는 것을 말합니다. 이로 인해 배터리의 사용 가능한 용량이 점차 감소하게 됩니다.

작동 원리

NiCd 배터리의 충전 과정에서, 음극(카드뮴)에서 양극(니켈 산화물)으로 전자가 이동합니다. 방전 시에는 이 과정이 역전되어 전기 에너지가 생성됩니다. 이러한 화학 반응을 통해 배터리는 에너지를 저장하고 방출합니다.

사용 분야

휴대용 전자기기: 초기 휴대전화, 카메라, 휴대용 오디오 장비 등에서 널리 사용되었습니다.

비상 조명 시스템: 비상시에 안정적인 전원 공급이 필요한 조명 시스템에 사용됩니다.

산업 및 의료 장비: 높은 신뢰성과 내구성이 요구되는 환경에서 사용됩니다.

전동 공구: 고출력과 긴 수명이 필요한 전동 드릴, 톱 등에 사용됩니다.

환경적 영향과 대체 배터리

카드뮴은 매우 독성이 높은 중금속으로, 환경과 인간 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 이로 인해 NiCd 배터리는 사용과 폐기 시 환경 규제의 대상이 되어 왔습니다. 대체로, 니켈-수소 배터리와 리튬-이온 배터리가 환경적으로 더 안전한 대안으로 간주되며, 점차 NiCd 배터리를 대체하고 있습니다.

주의 사항

NiCd 배터리를 사용하고 폐기할 때는 해당 지역의 환경 규정을 준수해야 합니다. 많은 국가에서는 카드뮴이 함유된 배터리의 재활용을 의무화하고 있으며, 이는 중금속이 환경에 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위한 조치입니다.

 

3 니켈-수소 배터리 (Nickel-Metal Hydride Battery, NiMH)

주로 사용되는 곳: 디지털 카메라, 하이브리드 자동차

특성: NiCd보다 환경에 덜 해롭고, 용량이 더 크며, 기억 효과가 덜합니다. 하지만 자가 방전율이 높고, 비용이 더 높습니다.

 

4 리튬-이온 배터리 (Lithium-Ion Battery, Li-ion)

리튬-이온 배터리는 현대 전자기기에서 가장 널리 사용되는 배터리 유형 중 하나입니다. 이 배터리는 고에너지 밀도, 긴 수명, 그리고 자가방전률이 낮은 특성 때문에 휴대폰, 노트북, 전기차 등 다양한 분야에서 필수적인 에너지 저장 방식으로 자리잡았습니다.

주요 특징

고에너지 밀도: 리튬-이온 배터리는 무게 대비 높은 에너지를 저장할 수 있어, 작고 가벼운 전자기기에 이상적입니다.

긴 수명: 수백에서 수천 사이클의 충전과 방전이 가능하며, 적절한 관리하에 몇 년 동안 사용할 수 있습니다.

낮은 자가방전률: 저장 시에도 에너지 손실이 적어, 장기간 저장해도 대부분의 전력을 유지할 수 있습니다.

무기억 효과: 반복적인 부분 충전에서 성능 저하가 거의 없어, 사용자가 배터리 수준을 걱정하지 않고 언제든지 충전할 수 있습니다. (메모리 효과가 거의 없습니다)

작동 원리

리튬-이온 배터리는 양극(대개 코발트, 망간, 니켈의 산화물), 음극(흑연), 그리고 리튬 이온을 전달하는 전해질로 구성됩니다. 충전 시 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하며, 방전 시에는 반대 방향으로 이동합니다. 이 이동 과정에서 전기 에너지가 저장되거나 방출됩니다.

사용 분야

모바일 기기: 스마트폰, 태블릿, 랩톱과 같은 휴대용 전자기기에 광범위하게 사용됩니다.

전기차: 높은 에너지 밀도와 장수명으로 전기자동차(EV)와 하이브리드 자동차의 주요 에너지 저장 장치로 활용됩니다.

에너지 저장 시스템(ESS): 재생 가능 에너지원(태양광, 풍력)에서 생성된 전력을 저장하는 데 사용되며, 전력망의 안정성을 높이는 데 기여합니다.

휴대용 전자기기: 디지털 카메라, 휴대용 게임기, 전동공구 등 다양한 소비자 전자 제품에 필수적입니다.

주의 사항

리튬-이온 배터리는 고온, 과충전, 물리적 손상 등으로 인해 화재나 폭발의 위험이 있을 수 있으므로 적절한 사용과 관리가 필요합니다. 리튬-이온 배터리에는 과충전, 과방전, 과열을 방지하기 위한 보호 회로가 필요합니다. (BMS)

기술 발전과 함께, 리튬-이온 배터리의 안전성, 에너지 밀도, 수명은 계속해서 개선되고 있으며, 이는 향후 전자기기와 전기차의 성능 향상에 중요한 역할을 할 것입니다.

(18650배터리에 대한 설명은 아래 링크)

18650 배터리

리튬 이온 배터리, 원통형 배터리, 18650

 

5 리튬-폴리머 배터리 (Lithium-Polymer Battery, Li-Po)

리튬-폴리머 배터리는 리튬-이온 배터리와 비슷한 유형으로, 액체 대신 고체 또는 겔 형태의 폴리머 전해질을 사용합니다. 이러한 구조적 차이로 인해 리튬-폴리머 배터리는 특정 장점을 가지고 있으며, 다양한 전자기기에 널리 사용됩니다.

주요 특징

유연성과 형태의 다양성: 리튬-폴리머 배터리는 유연하고 다양한 크기와 형태로도 제작할 수 있어, 공간 활용이 중요한 휴대폰, 태블릿, 웨어러블 기기 등에 적합합니다.

무게와 두께: 전통적인 리튬-이온 배터리에 비해 가볍고 얇게 만들 수 있어, 휴대성이 중요한 기기에 이상적입니다.

안전성: 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 액체 전해질을 사용하는 배터리보다 누출 위험이 적고, 안전성이 높습니다.

에너지 밀도: 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 작은 크기에서도 많은 전력을 제공할 수 있습니다.

자가방전율: 상대적으로 낮은 자가방전율을 가지고 있어, 사용하지 않을 때도 배터리의 충전 상태를 잘 유지합니다.

사용 분야

휴대폰과 태블릿: 얇고 가벼우며 유연한 형태로 제작될 수 있기 때문에, 스마트폰과 태블릿 등의 모바일 기기에 널리 사용됩니다.

웨어러블 기기: 스마트워치, 피트니스 트래커 등 공간 제약이 큰 웨어러블 기기에 적합합니다.

드론: 가볍고 고용량의 배터리가 필요한 드론에 이상적입니다.

전기 자동차 및 하이브리드 차량: 고용량과 안전성이 요구되는 전기차 및 하이브리드 차량에도 사용됩니다.

주의 사항

리튬-폴리머 배터리는 고온, 과충전, 과방전 상황에서 손상되거나 위험한 상황을 초래할 수 있으므로 적절한 관리와 사용이 중요합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 이러한 위험을 최소화할 수 있습니다.

리튬-폴리머 배터리는 그 유연성과 고성능으로 인해 현대 전자기기에 없어서는 안 될 중요한 구성 요소로 자리 잡았습니다. 기술의 지속적인 발전으로 더욱 안전하고 효율적인 배터리가 개발되고 있습니다.

(BMS에 대한 설명은 아래 링크)

BMS (Battery Management System, 배터리 관리 시스템)

스마트폰에 사용되는 리튬폴리머 배터리

 

6 리튬-황 배터리 (Lithium-Sulfur Battery, Li-S)

주로 사용되는 곳: 연구 개발 단계, 일부 고성능 응용 분야

특성: 매우 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으나, 현재는 수명과 안정성 문제로 인해 상용화에 제한이 있습니다.

 

7 고체 전해질 배터리 (Solid-State Battery)

주로 사용되는 곳: 연구 개발 단계, 향후 전기차 및 휴대용 전자기기

특성: 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 더 안전하고, 에너지 밀도가 높으며, 더 긴 수명을 기대할 수 있지만, 현재는 생산 비용이 높고, 대량 생산 기술이 발달해야 합니다.