2차전지(충전식 배터리)란 무엇일까?

최근 전기차로 인해서 사람들의 관심이 많이가는 2차 전지에 대해서 알아보도록 하겠다. 충전식 배터리(이차 전지)는 전류를 통과하는 작업을 통해 재충전하거나 세포 잠재력을 되찾을 수 있는 가역성 전지 반응으로 구성될 가능성이 있는 배터리다. 1차 전지(가역전지가 아님)와 반대로 충전식 배터리는 충전과 방전이 수 없이 가능하다. 2차 전지는 1차 전지와 동일한 메커니즘을 포함하며, 2차 전지의 산화,환원반응으로 충분한 양의 에너지가 역전될 수 있다는 것이 1차 전지와의 차이점이다. 아래 그림은 충전 2차 셀의 메커니즘을 보여준다. 다이어그램 상단에 표시된 충전기가 분리기의 우측으로 음전하를 당기고 있다.

이는 양극 전하가 분리기를 통과할 수 없는 세포의 반대편에서 편찬되는 것처럼 보이게 한다. 이 불안정성은, 허용되었을 때, 전자의 전달을 통해 평형에 다시 한 번 접근할 수 있는 세포 전위의 표현이다. 서로 다른 2차 배터리는 다양한 기능을 제공한다. 장기 사용의 경우, 사용하지 않을 때의 긴 저장 시간, 원격 작동, 혹독한 기후 조건에서의 사용은 그러한 2차 전지 활용에 있어서 장애물이 된다. 불행하게도 위에서 언급한 장애물을 모두 견딜 수 있는 배터리는 없다. 따라서 사용자는 가장 호환되는 충전용 배터리의 버전을 결정하기 위해 특정 환경 및 작업에 가장 중요한 응용 프로그램을 결정해야 한다. 납산 배터리는 주로 큰 전지 전위를 저장하는 데 사용되는 가장 일반적인 2차 전지 중 하나이다. 이것들은 흔히 자동차 엔진에서 발견된다. 그것의 장점으로는 저비용, 고전압, 대용량 셀 전위 저장 등이 있으며, 단점으로는 무거운 질량, 저온도에서의 무능력, 불용에 의한 장기적 잠재력 유지 불가 등이 있다. 납산 배터리의 반응은 다음과 같다.

 

음극(축소):PbO2+HSO-4(aq)+3H+(aq)+2e-→PbSO4(s)+2H2O(l)(1)

양극(음극):PbSO4(s)+H+(aq)+2e-(2)

전체:Pb(s)+PbO2+2HSO-4(aq)+2H+(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)(3)

 

방전은 엔진이 시동되고

셀 전위가 2.02V일 때 발생한다. 충전은 자동차가 움직이고 있고 전극 전위가 -2.02V와 같을 때 발생하며, 이는 외부 전기 공급원을 필요로 하는 자발적이지 않은 반응이다. 충전 중에 역반응이 일어난다. 니켈-카드뮴 배터리니켈-카드뮴(NiCd) 배터리는 유통기한이 긴 저온 조건에 적합한 또 다른 흔한 2차전지다. 하지만, 니켈-카드뮴 배터리는 더 비싸고 킬로그램 당 와트 시간의 측면에서 용량이 아연니켈 충전용 보다 적다.

 

음극(축소):2NiO(OH)+2H2O(l)+2e-→2Ni(OH)2+2OH-(aq)(4)

양극(음극):Cd+2OH-(aq)Cd(OH)2+2e-(5)

전체:Cd(s)+2NiO(OH)+2H2O(l)Cd(OH)2(s)+2Ni(OH)2(6)

 

아연니켈 배터리의 장점은 긴 수명, 높은 전압, 질량 대 부피 비율이다. 이러한 특징들은 아연니켈 배터리를 어떤 것보다 더 매력적으로 만든다. 그러나 아직 봉인된 형태로 만들어지지는 않았다. 일반적으로 덜 사용되는 충전식 배터리인 아연니켈 배터리는 고전류, 고전압을 제공할 수 있으며 6개의 납산 배터리에 와트시간 용량으로 동등하다. 이것들은 보통 보청기, 작은 섬광등 등에서 작은 은빛 버튼들로 보여진다. 에너지 밀도가 높아 미사일과 어뢰, 전자장치, 위성, 소형 휴대용 장치 등에 아연니켈 배터리가 사용된다. 다소 작은 질량으로 높은 에너지를 공급할 수 있고 저온 조건에서 사용할 수 있으며 충분한 저장 수명을 아우르지만 다른 이차 배터리에 비해 비용이 많이 들고 사용 시간도 짧다. 대부분의 경우 공간과 무게가 가장 중요할 때 아연니켈 배터리를 사용한다.전체적으로 은-카드뮴 배터리는 높은 에너지, 크기와 무게가 작고 과충전 저항성이 강하다. 하지만 그것의 큰 단점은 높은 비용이다. 은-카드뮴 배터리는 우주와 무게가 중요한 위성에서 발견되는 경우가 많다.

이렇듯 적용되는 환경에 따라 이차전지의 구성요소가 달라진다는 점을 명확히 인식해야할 필요성이 있다.