1. 축전지 (Storage Battery)
ㅇ 2차 전지(Secondary Battery)라고도 함
- 전기에너지를 화학에너지로 저장하여 보존
ㅇ 특징
- 충전,방전에 의한 화학변화가 가역적임
. 충전(charge)과 방전(discharge)이 가능하고,
. 이를통해 반복적으로 재사용할 수 있음
- 사이클 수명 (Cycle Life)
. 용량이 초기 대비 일정 비율(통상 80%) 이하로 떨어질 때까지의 충전,방전 반복 횟수
2. 축전지의 전기화학적 관점
ㅇ 기본 구성 요소
- 음극 (Anode) : 방전 시 산화 반응 발생, 전자 방출
- 양극 (Cathode) : 방전 시 환원 반응 발생, 전자 수용
- 분리막 (Separator) : 음극,양극의 물리적 단락 방지, 이온은 통과 허용
- 전해질 (Electrolyte) : 전자 이동은 차단하나, 이온 전도체 역할
ㅇ 방전 시 : (음극 → 산화 반응 → 전자 방출), (양극 → 환원 반응 → 전자 수용)
- 음극 (산화, Oxidation) : 활물질이 전자를 잃고 산화 → 전자를 외부 회로로 방출
- 양극 (환원, Reduction) : 외부 회로에서 전자를 받아 환원 반응 진행
- 이온은 전해질 내부를 이동하여 회로를 완성하고, 전기적 중성 유지
ㅇ 충전 시 : (음극 → 환원 반응 → 전자 수용), (양극 → 산화 반응 → 전자 방출)
- 음극 (환원, Reduction) : 외부 전원으로부터 전자를 받아 환원 → 활물질 원상 복구
- 양극 (산화, Oxidation) : 전자를 외부 전원으로 내보내며 산화 → 활물질 원상 복구
- 외부 전원의 전압이 전지의 기전력(EMF)보다 높아야 충전 가능
3. 축전지의 종류
ㅇ 전해액이 `수용액`인 경우
- 납 축전지 (Lead Storage Battery, Lead Acid Battery)
. 1859년 발명. 160년 이상 자동차용 배터리로 쓰여왔음.
- 니켈계 축전지 (Nickel-based Battery)
. (전해질로써, 염기성인 수산화칼륨 용액을 쓰는 알칼리 축전지)
. (양극 활물질로, 산화 수산화니켈을 사용)
. 니켈 카드뮴 전지
. 니켈 아연 전지
. 니켈 수소 전지
- 알칼리 축전지 (Alkaline Storage Battery)
. 전해액 : 알칼리 수용액
ㅇ 전해액이 `유기 용매`인 경우
- 리튬 이온 전지
ㅇ [참고] 차세대 2차 전지
- 전 고체 전지 : 전지를 구성하는 모든 재료가 고체인 전지
- 리튬 - 황 전지
- 금속 - 공기 전지
- 나트륨 이온 전지
- 다가 이온 전지 등
4. 납 축전지, 연 축전지 (Lead Storage Battery, Lead Acid Battery)
ㅇ 전해액 : 황산 수용액 (H2SO4)
- 전해질(이온 도전체) 내부를 이온이 흘러다님
ㅇ 음극 (애노드) : 납 안티몬 합금 전극에 환원제인 활물질(겔 모양의 납 분말)로 채워짐
ㅇ 양극 (캐소드) : 산화제인 활물질(겔 모양의 이산화납 PbO2)로 채워짐
ㅇ 분리막 : 음극과 양극을 분리/대치시키는 격막 구조
ㅇ 충전/방전 반응 : 활물질과 전해질 사이의 계면에서 진행됨
ㅇ 충전/방전 횟수 : 대략 500회 정도 가능
ㅇ 기전력 (1개 셀) : 약 2.05 V (높은편)
- (자동차용) 셀 6개가 직렬 연결되어, 전체 기전력은 12~13 V 정도
5. 니켈 카드뮴 축전지 (Nickel–cadmium Battery)
ㅇ 전해액 : 수산화칼륨 수용액 (KOH)
ㅇ 음극(애노드) : 철(Fe) 가루,카드뮴(Cd) 가루의 혼합물
- Cd → Cd2+ + 2e-
ㅇ 양극(캐소드) : 니켈 산화물 (Ni3+)
- Ni3+ + e- → Ni2+
ㅇ 기전력 : 약 1.2 V (낮은편)
ㅇ 모양(형태) : 보통의 건전지 처럼 밀봉형
6. 리튬 이온 전지 (Lithium-ion Battery)
ㅇ 전해액 : 용매로써 물을 사용하지 않음 (유기 용매) (비 수용액)
ㅇ 음극(애노드) : 탄소 흑연 음극재가 주로 쓰여지고 있는 편임 (단점 : 부피의 절반 이상 차지)
- (리튬 → 리튬 알루미늄 → 탄소 → 주석 or 실리콘 → 리튬)
ㅇ 양극(캐소드) : 금속 소재 조합 (리튬 합금) 사용
- (리튬 이황화 타이타늄 → 리튬 코발트 산화물 →
NCM : 니켈 코발트 망간, NCA : 니켈 코발트 알루미늄 → 리튬인산철,리튬망간인산철
→ 리튬바나듐인산)
ㅇ 충전/방전 : 전해질에 의해 리튬 이온화 된채, 리튬 이온의 이동
- 충전 : 리튬을 음극(흑연)에 저장하는 과정
- 방전 : 음극에 저장된 리튬을 다시 양극으로 보내며 전기를 꺼내 쓰는 과정
ㅇ 특징
- 가볍고, 충전 효율이 높아 대량의 에너지 저장 가능
. 기존 배터리 대비하여, 부피,무게가 1/2이고, 에너지 용량이 2배 정도
- 반응성 높음
. 유기 용매이기 때문에, 이상 발열,이상 발화 등 가능
- 비교적 긴 수명 등
※ (개발자) 스탠리 휘팀엄,존 굿이너프,요시노 아키라 (2019년 노벨 화학상)