2차 전지

[ secondary battery ]

 

2차 전지는 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 전기화학 셀로 구성된 배터리이다.
2차 전지는 배전 네트워크를 안정화하기 위해 연결된 버튼 셀에서 메가와트 시스템에 이르기까지 다양한 모양과 크기로 생산되며 납산(lead acid), 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 수소(NiMH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등 여러 가지 전극 재료와 전해질의 조합이 사용된다.

2차 전지의 경우 일반적으로는 일회용 배터리보다 초기 비용이 많이 들지만 교체하기 전 여러 번 충전 할 수 있음으로 총 소요 비용과 환경 영향이 훨씬 적은 것이 장점이다.
일부 2차 전지 유형은 일회용 유형과 동일한 크기 및 전압으로 사용할 수 있으며 교환식으로 사용할 수 있다.

충전 및 방전

충전하는 동안 양극 물질은 산화되고 음극 물질은 환원된다. 이때 양극으로부터 음극으로 흘러 들어가는 전자는 외부 회로의 전류 흐름을 구성한다.
전해액은 리튬 이온 및 니켈 카드뮴 전지에서와같이 전극 사이의 내부 이온 흐름을 위한 간단한 완충 역할을 하거나 납산 셀에서와같이 전기 화학 반응에 적극적으로 참여할 수 있다.

2차 전지를 충전하는 데 사용되는 에너지는 대개 AC 주전원 전기를 사용하는 배터리 충전기에서 발생하지만, 일부는 차량의 12V DC 전원 콘센트를 사용하게 되어 있다.
소스의 전압은 전류가 흐르도록 강제하기 위해 배터리의 전압보다 높아야 하지만 배터리가 손상될 수 있음으로 너무 높지는 않아야 한다.

충전기는 배터리를 충전하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸린다. 전압 또는 온도 감지 기능이 없는 느린 충전기는 낮은 속도로 충전되며, 일반적으로 완충까지 14시간 이상 걸린다.
급속 충전기는 일반적으로 모델에 따라 2~5시간 이내에 전지를 충전 할 수 있으며, 가장 이른 시간은 15분 정도 소요된다.
고속 충전기로 셀을 완충할 때 과충전 또는 과열이 발생하기 전에 여러 방법을 통해 충전을 중지해야 한다.
가장 빠른 충전기는 과열 방지를 위한 냉각 팬을 통합한다. 급속 충전용 전지 팩에는 충전기가 팩을 보호하기 위해 사용하는 온도 센서가 포함될 수 있다.

충전 방식은 배터리에서의 전기화학적 특성에 따라 다르다.
예를 들어, 일부 배터리 유형은 정전압 소스에서 안전하게 충전할 수 있다. 다른 유형은 배터리가 완전히 충전된 전압에 도달할 때 테이퍼되는 조절된 전류 소스로 충전해야 한다.
배터리를 잘못 충전할 경우 배터리가 손상될 수 있고, 극단적인 경우 배터리가 과열되어 화재가 발생하거나 폭발할 수 있다.

수명 및 주기 안정성

배터리를 잘못 취급하지 않아도 반복적으로 사용하면 그 수명이 다한 것으로 간주할 때까지 충전 주기가 늘어남에 따라 용량이 손실된다. 다른 배터리 시스템은 용량 손실에 대한 각각 다른 메커니즘을 가지고 있다. 예를 들어, 납산 배터리에서는 모든 충전-방전 사이클마다 모든 활성 물질이 플레이트로 복원되지 않는다. 결과적으로 배터리 용량이 감소할 만큼 충분한 재료가 손실된다. 리튬 이온 유형, 특히 심한 방전 조건에서, 충전 시 일부 반응성 리튬 금속이 형성될 수 있고 이는 다음 방전 주기에 더 이상 참여할 수 없게 된다. 밀봉된 전지는 특히 과충전되거나 고온에서 작동하면 액체 전해질에서 습기를 잃을 수 있기에 충전-방전 주기 수명이 단축된다.

응용

2차 전지를 사용하는 장치에는 자동차 시동기, 전동 휠체어, 골프 카트, 전기 자전거 및 전동 지게차와 같은 경자동차, 공구가 포함된다. 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 경우 배터리의 비용, 무게 및 크기를 줄이고 수명을 늘리기 위한 기술이 연구되고 있다.

전지 충전 발전소는 피크 기간 사용량이 적은 시간에 전기 에너지를 저장하는 부하 평준화 및 밤에 사용하기 위해 태양광 발전 정렬 판에서 생성된 전력을 저장하는 것과 같은 재생 에너지 사용에 2차 전지를 사용한다.

소형 2차 전지는 휴대용 전자 장치, 전동 공구, 가전 제품 등에 전원을 공급할 수 있다. 중부하용 전지는 스쿠터에서부터 기관차 및 선박에 이르기까지 전기 차량에 전력을 공급한다. 이들은 분산된 전기 생성 및 독립형 전력 시스템에 사용된다.