배터리 역사와 특징

이차전지가 요즈음 큰 화두다.

그 태생을 알아보고 현재의 배터리 사업에 대해서 분석해보자.

(충전식배터리핸드북 Isidor Buchmann 책을 참고하여 요약 했다)

배터리 발명은 언제 했을까?
1936년 바그다드 근방에서 철길 공사를 하던 작업자들은 파트티아 배터리라고 불리는 고대 배터리를 발견하게 된다. 이 배터리는 파트티아 시대까지 거슬러 올라가며, 족히 2,000년은 되었으리라 추정된다. 점토 항아리 모양이고, 속은 식초 용액으로 채워져 있다. 구리 실린더로 감싸인 쇠막대가 들어가 있는 구조이다. 이 장치는 1.1 ~ 2.0V 전기를 생산할 수 있었다.

배터리 발달
배터리의 발달 방향은 2가지로 본다면, 더 긴 사용 기한을 위해서 비-에너지 (Specific energy)을 증가시키는 것과, 언제든지 필요한 출력을 전달하기 위해 비-출력 (Specific power)를 향상하는 것을 둘 수 있다.

사진 첨부 (휴대폰)

비-에너지 단위는 wh/kg - 단위 중량 당 전력량, "에너지 밀도 -으로 배터리에 저장할 수 있는 에너지 용량을 나타낸다.
비-출력 단위는 w/kg - 단위 중량 당 출력 전력, "출력 밀도"-으로 배터리의 전력 출력 능력을 표시

배터리는 휴대용 제품 발전 속도를 좌우 하나. 그래서, 휴대용 에너지원은 많은 제품들의 혁신에 있어서 아주 중요한 역할을 한다.

배터리는 마이크로 칩과 같은 속도로 발전하지 않았다. 배터리 업계는 지난 20년 동안 배터리 용량을 연간 8~10% 정도 증가시켰을 뿐이다.

배터리 제조 업체들은 배터리의 용량을 늘리는 것과 동시에 더 높은 안정성을 위해 제조 방법을 개선하는 것에도 집중해야 한다.

배터리 한계점
어떤 배터리가 비-에너지를 높게 만들어졌다면, 배터리의 크기를 줄일 수 있지만, 사이클 수명은 짧아질 것이다. 또 어떤 배터리가 높은 부하용량과 내구성을 갖추게 만들었다면, 그 배터리는 부피가 크고 무거울 것이다. 그리고 또 어떤 배터리가 높은 용량과 긴 수명을 가지고 있다면, 그 배터리의 높은 제조비용으로 인해 일반 소비자는 사용하기 어려울 수 있다.

배터리 특징
에너지 저장소 (ENgergy storage)
배터리는 상당히 긴 시간 동안 에너지를 보관할 수 있다. 1차 전지(재충전 불가능), 2차 전지보다 더 많은 에너지를 붙잡아 둘 수 있고 자기 방전 율도 낮다.

비-에너지 용량 (specific energy)
배터리는 휴대용으로 충분한 에너지를 저장할 수 있지만 대형 차량이나 고정식 시스템 용도는 부족할 수 있다.

응답성
배터니는 아주 짧은 시간 안에 에너지를 전달할 수 있다

출력 대역폭
충전식 배터리는 디젤 엔진과 비견되는 널은 출력 대역폭을 가지고 있다. 낮은 출력과 높은 출력을 넓은 범위에서 모두 잘 출력할 수 있다는 것이다.

환경
배터리는 깨끗하고 적당한 온도를 유지한다.

효율
충전량이 70% 이하일 때, 충전 효율 100%에 가까우며, 방전 손실은 단지 수 퍼센트 지나지 않는다.

설치
밀폐형 배터리는 설치 위치나 방향과 상관없이 잘 동작되고 충격과 진동에 내동이 좋다.

운영비용
리튬계와 니켈계 배터리들은 휴대기기에 적합한 배터리다. 납-산 배터리는 바퀴를 사용하는 이송수단과 고정식 애플리케이션에서 가장 경제적인 배터리다.

온도 성능
차가운 온도는 전기화학반응을 느리게 하기에, 배터리는 영화의 온도에서는 제대로 동작하지 못한다.

충전시간
배터리는 충전에 긴 시간이 필요하다는 큰 단점이다. 리튬-계와 니켈-계 배터리 방식은 충전을 위해서는 1~3시간 필요하다 납-산 배터리는 일반적으로 14시간이 필요하다.

폐기
니케-카드뮴과 납-산 배터리는 유해 물질이 포함되어 있기에 일반 쓰레기 매립지에 폐기할 수 없다.

[배터리 정의]
배터리는 그 종류가 다양하기 때문에 배터리의 화학 성분, 전압, 크기, 비-에너지(용량), 비-출력 등으로 구분하는 것이 좋다.

화학성분
배터리의 가장 일반적인 화학성분은 납, 니켈, 리튬이다. 각 성분에 따라서 배터리들은 공유의 충전 알고리즘이 필요하다. 배터리를 운송하거나 폐기할 때에는 각각의 종류별 다른 규제 조건들을 가지고 있기 때문에, 화학 성분을 잘 확인해야 한다.

전압
배터리 전압은 공칭 개방 회로 전압 (OCV, OPEN CIRCUIT VOLTAGE)을 말하며, 화학 성분이나 직렬연결된 셀 개수에 따라서 달라진다.

용량
배터리 용량은 암페어-시간 단위로 비-에너지를 표시한다.
제조업체들은 배터리가 실제 제공할 수 있는 것보다 더 높은 용량을 표시하는 것으로 종종 자기네 배터리를 과대평가한다. 이 때문에 표시 용량(Ah)과는 다른 배터리를 사용할 수 있다.

저온 시동 전류 (cca, cold cranking amps)
CCA는 -18도에서 시동용 배터리가 얼마나 많은 전류를 출력할 수 있는지 나타낸다.

비-에너지와 에너지 밀도
비-에너지 (에너지 밀도)는 무게에 대한 배터리 용량을 정의

비-출력
중량 출력 밀도(W/Kg)라고도 하는데 무게에 대한 부하용량, 즉 배터리가 제공할 수 있는 전력량을 나타낸다.

충방 전율 (c-rates)
충전과 방전 전류를 나타낸다. 1C에서 배터리는 표시된 용량(Ah)과 같은 전류로 충방전 한다.
0.5c에서는 절반의 전류로, 0.1C에서는 1/10의 전류로 충방전 하다는 것을 의미한다.
충전 시 1C로 하면 1시간이 걸리고, 0.5C로 하면 약 2시간, 0.1C에서는 10~14시간이 걸린다.

부하 (LOAD)
부하는 배터리로부터 에너지를 뽑아낸다. 배터리 내부 저항도 부하로 적용하며, 배터리 에너지가 고갈될 경우에는 배터리 전압이 떨어지게 된다. 부하에 대하여 배터리가 물리적으로 사용한 에너지는 Wh로 측정된다.

기타
배터리 전력은 와트(W, VA)로 표시한다. 와트는 실제 측정되는 전력을 나타내고, VA는 배선의 크기와 회로 차단기의 허용범위로 결정되는 피상 전력을 나타낸다.

1차 전지
1차 전지는 손목시계, 리모컨, 전자키, 장난감 등의 분야의 틈새시장에서 여전히 사용되고 있다. 군의 전투 상황에서 구조 임무, 산불 진화와 같이 배터리 충전이 불가능하나 어려운 상황에서도 사용된다.

1차전지 중 하나는 알카라인-망간 배터리, 줄여서 알카라인 배터리다. 동 배터리는 저장된 에너지가 고갈됐을 때 탄소-아연 배터리처럼 내부 물질이 누출되디 않은 다는 것이다

2차 전지
납산(Lead Acid) - 가장 오래된 충전식 배터리 방식 중 하나로 튼튼하고 잘 견디고 경제적인 가격
                                 단, 제한된 수명 사이클
니켈-메탈 수소(NiMH) - 기존 니켈 카드뮴 방식을 대체하는 방식으로 독성이 적고, 높은 비-에너지를 보유. 의료용, 하이브리드 자동차, 산업용 에 주로 사용
리튬-이온 - 가장 유망한 배터리 방식으로, 일반 소비자용 휴대기기 용도뿐만 아니라 자동차의 전기 파워트레인 용도로도 사용된다.

배터리의 종류

납산 배터리의 장단덤

니켈계 배터리
니켈 카드뮴 장단점

표
니켈 메탈 수소 장단점

리튬계 배터리
리튬계 배터리의 선구적인 업적은 1912년 길버트 뉴턴 루이스라는 화학자로 부터 시작된다.
이후 1980년 중반에 충방전 과정에서 어노드에 원치 않은 돌기들(dendrite)이 발생되는 것이 발견됐다. 이러한 돌기는 자라면서 격리판을 관통하고, 전기적인 탈락을 발생시켰다. 이렇게 되면 배터리 셀 온도는 급격하게 상승하고 리튬이온 녹는점에 근접하게 된다. 이것을 결국 열폭주(thermal runaway)를 일이키게 된다.

특히 충전 시 리튬 금속의 본질적인 불안정성은 배터리의 연구 방향을 리튬-이온을 상요한 비금속 설루션으로 전환되게 만들었다. 리튬이온은 리튬금속보다 에너지 밀도가 낮았지만 더 안전했고, 배터리 셀 제조 업체와 배터리 패킹 업체들은 전압 와 전류를 안전한 수준으로 유지시키는 안전 조치를 잘 따랐다.

리튬 이온 배터리 종류
납 혹은 니켈 계 배터리 구조와 유사하게 리튬 이온 배터리는 캐소드과 어노드 그리고 전도체로써 전해질을 사용한다. 캐소드는 금속 산화물이고, 어노드는 다공성 탄소로 구성돼 있다.

캐소드 물질들은 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 인산철 등 있다.

어노드는 흑연 소재를 주로 사용하는데 충전될 때 이온을 잘 저장하고 오랜 충방전 사이클에서도 안정적이다. 탄소 나노 튜브 같은 다른 탄소 물질들은 아직 상업적인 이용방법이 발견되지 않았다.

표 4가지 배터리 특징