축전지의 종류와 충전 방식

축전지의 종류와 충전 방식

축전지는 2차 전지(secondary cell)를 말하는데 우리의 사회, 경제, 국방 등 전 분야에서 사용되고 있습니다. 일상생활에서는 스마트폰, 노트북, 전기자동차, 에너지 저장장치인 ESS 등 의 배터리가 전부 축전지입니다.  전기 에너지를 화학 에너지 형태로 전환시켜 저장하고 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말합니다.

전지는 화학물질이 가지고 있는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 일차 전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 반면에 2차 전지는 사용 후에 화학적 역반응을 이용하여 본래의 상태로 되돌려서 다시 사용 가능한 상태로 만들어 재사용이 가능하게 되는데 이러한 이차전지를 축전지라고 합니다.

여러 번 충전이 가능하다는 뜻으로 충전식 전지(rechargeable battery)라고도 한다. 다시 말해서 축전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하고, 방전되었을 때는 외부의 전원을 공급받아 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있다.

따라서 축전지는 반응물과 생성물 사이의 산화환원 과정이 여러 번 반복 가능한 물질로 이루어져 있다. 축전지는 일차 전지에 비해 비싸지만 충전하여 여러 번 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다. 그러나 축전지에 쓰이는 화학물질이나 금속의 독성이 일차 전지에 비해 더 강하기 때문에 이러한 축전지의 폐기물을 처리하는 것이 인류가 풀어야 할 또 하나의 난제이다.

1) 납축 전지

납축전지는 볼타전지와 같은 전기화학반응을 이용하는 2차 전지로 1859년 프랑스의 플랑테가 발명하였다. 전기화학반응을 이용하는 축전지로 과산화 납을 양극으로, 납을 음극으로 사용하고 전해액으로는 비중 약 1.2의 묽은 황산을 쓴다. 화학반응이 가역적이며 충전해서 사용할 수 있는 이차 전지이다. 자동차 축전지 등으로 널리 쓰인다.

2) 알칼리 전지

양극에 수산화니켈을 사용하고 음극에 철을 사용한 에디슨 전지와 음극에 카드뮴을 사용한 융그너 전지가 있는데, 일반적으로 융그너 전지가 널리 사용되고 있다. 기전력은 1.35V 정도이고, 방전 중의 평균 전압은 1.2V인데, 약 1.1V로 저하되면 충전해야 한다.

납축전지에 비해 진동에 강하고, 자기방전이 적으며, 가혹한 사용조건에서도 장기간 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 반면에 납축전지에 비해 기전력이 작고, 암페어 시효율, 즉 방전한 전기량과 충전한 전기량의 비가 납축전지는 90%인 데 대해 융그너 식에서는 85% 정도, 에디슨식에서는 80% 정도로 다소 뒤지며, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 제2차 세계대전 중에 극판 구성 등이 개량되어, 소형 경량화에 성공하여 각종 무기, 로켓용 등에 개발 연구가 진척되고 있다. 

3) 축전지의 충전 방식

축전지의 충전에는 충전 목적, 시기 등에 따라 사용하기 시작할 때의 초기 충전과 사용 중의 충전으로 나눌 수 있다.

가) 초기 충전

축전지에 전해액을 넣지 아니한 미충전 상태의 전지에 전해액을 주입하여 처음으로 충전하는 것이다.

나) 사용 중의 충전

㉮ 보통 충전 : 필요할 때마다 표준 시간율로 소정의 충전을 하는 방식

㉯ 급속 충전 : 비교적 단 시간에 보통 전류의 2~3배의 전류로 충전하는 방식

㉰ 부동 충전 : 축전지의 자기 방전을 보충함과 동시에 상용 부하에 대한 전력 공급은 충전기가 부담하도록 하여 충전기가 부담하기 어려운 일시적인 대전류 부하는 축전지로 하여금 부담하는 방식이다.

㉱ 세류 충전 : 자기 방전량만을 항시 충전하는 부동 충전 방식이다.

㉲ 회복 충전 : 정전류 충전법에 의하여 약한 전류로 40~50시간 충전시킨 후 방전시키고, 다시 충전시킨 후 방전시키는데 여러번 반복하게 되면 처음의 출력 용량을 회복하게 된다. 이러한 충전방식을 회복 충전이라고 한다.

㉳ 균등 충전 : 부동 충전 방식에 의하여 사용할 때 각 전해조에서 일어나는 전위차를 보정하기 위하여 1~3개월 마다 1회씩 정전압으로 10~12시간 충전하여 각 전해조의 용량을 균일화하기 위한 방식의 충전 방식이다.