알칼리축전지(Alkali Battery)의 특성 및 효율

알칼리축전지(Alkali Battery)의 특성 및 효율

 

 

1. 작용물질(作用物質), 활물질(活物質)

그림과 같이 전지의 양극(兩極)을 도선으로 연결하여 방전시키면 전류가 양극(+)에서 음극(-)으로 흘러 전기적인 일을 행한다. 이 경우 양극(兩極)에서는 각기 일정한 화학변화를 일으키게 된다. 이 화학변화는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 작용을 하므로 양극물질 또는 활물질 이라고 한다.

음극에 사용하는 활물질을 음극 활물질, 양극(陽極)에 사용하는 활물질을 양극 활물질이라고 부른다. 그림에서 아연(Zn)은 음극 활물질, Cu는 양극 활물질이다.

< Fig01. 작용물질 >

 

 

2. 분극작용(分極作用) Polarization

탄소극을 양극으로 하고 아연을 음극, 염화암모늄(NH₄Cl)을 전해액으로 사용한 전지를 방전시킨 경우에 아연은 용해되어Zn+++2e가 되고,

염화암모늄의Cl-와 결합하여 ZnCl₂가 된다.

양극에서는H+가 방전하여2H++2e→H2가 된다. 이 경우 H₂가스가 제거되면H+는 계속 방전할 수 있으나 전극 중에 원자 또는 분자의 상태로 머물러 극의 표면을 에워싸므로H가 방전할 수 없게 되어 전압이 떨어진다. 이와 같이 전극에 석출(析出)하는 물질이 다시 용해하려는 경향과 전해액의 농도 변화로 역기전력이 생겨 전극(電極)의 반응진행을 방해하는 현상을 “분극작용”이라 한다.

 

전지의 분극작용은 양극(陽極)에 석출하는 수소에 의한 것이 많아서 복극제(復極劑)로 초산, 중크롬산 염, 이산화 망간, 산화동, 또는 이산화 연 등이 사용된다.

전지의 최초의 기전력을 E, 정저항으로 일정시간 방전한 후의 기전력을 E′라고 하면 분극작용은

E-E'/E×100[%]로 표시된다.

 

 

3. 축전지 방전율(蓄電池 放電率) Discharge Rate

방전율은 방전전류의 크기를 나타내는 말이다. 일반적으로 완전충전 상태의 축전지 단자전압이 방전 제한 전압에 도달할 때까지의 시간 수로 표시한다.

예를 들면 10시간율 전류는 방전제한전압까지 이르는데 10시간을 필요로 하는 전류를 뜻한다.

 

 

4. 축전지 효율(蓄電池 效率) Battery Efficiency

축전지의 효율은 그 전지가 어떤 방전율 하에서 얻어진 전기량 또는 에너지량을 방전전과 같은 상태까지 충전하는데 요하는 전기량 또는 에너지량에 대한 비(比)로서 보통 백분율로 표시한다. 전기량의 비를 Ampere Hour 효율, 에너지량의 비를 Watt Hour 효율이라 한다.

1) Ampere Hour 효율 = 방전전류 × 방전시간 / 충전전류 × 충전시간 × 100(%)

2) Watt Hour 효율 =평균방전전압 × 방전전류 × 방전시간 / 평균충전전압 × 충전전류 × 충전시간 × 100 [%]

                              =평균방전전압 / 평균충전전압 × Ampere Hour 효율[%]

효율은 방전율, 온도, 전해액 비중 등의 조건을 명기치 않으면 의미가 없다. 보통은 상온 10시간율 방전에 있어서 Ampere Hour 효율 90[%]이상, Watt Hour 효율 75[%]이상이다.

 

 

5. 중량효율(重量效率) Weight Efficiency

전지의 중량 1kg당의 전지의 출력(Watt Hour 용량)을 “중량효율”이라고 하며, 자동차, 전기차 등에 사용하는 이동용 축전지에 있어서는 중량효율이 중요한 평가기준이 된다.

일반적으로 거치용 축전지의 중량효율은 10～15Wh/kg, 이동용 축전지는 20～30Wh/kg, 알카리 축전지는 20～30Wh/kg이다.

 

 

6. 축전지 내부저항(蓄電池 內部抵抗)

전지의 내부저항은 전극, 전해액, 전극과 전해액의 경계면, 격막의 저항, 고체입자 활물질 사용시의 입자자신의 저항, 입자와 전극간에 경계면 및 입자 상호간의 저항, 입자와 전해액 경계면의 저항 등에 의해서 생긴다.

전극이 금속 또는 탄소이면 저항이 대단히 적기 때문에 타 부분의 저항에 비해서 무시할 수 있다. 전지에 사용되는 고급의 산화물(酸化物), 예를 들면 PbO₂, 이산화망간, CuO 등은 비교적 도전성이 좋으나 이것이 기전변화(起電變化)에 따라서 저급의 산화물로 되면 도전성이 나빠진다. 이 때문에 도전성을 좋게 하기 위해서 흑연 분말을 섞어 전지의 내부저항이 증가하지 않도록 하고 있다. 전해액이 강산(强酸)인 경우는 저항이 적으나 격막을 사용한 경우에는 저항이 높다.

 

 

7. 알카리 축전지 (Alkaline Battery)

니켈카드뮴 알카리 축전지(니카드 축전지)라 하며, 양극 활성 물질은 수산화 제2니켈(NIOOH), 음극활성물질은 금속카드뮴(Cd), 전해액은 수산화칼륨(KHO)을 이용, 양극간 1.2V의 기전력이 발생되는 축전지를 “알카리 축전지”라 한다.

 

1) 충, 방전의 화학 방정식

(+) 극판                     (-)극판   방전      (+)극판        (-)극판

2NiOOH  +   2H₂O   +   Cd       →       2Ni(OH)₂ +  Cd(OH)₂

                                                 ←

수산화제2니켈 물 금속카드뮴 충전 수산화제1니켈 수산화카드뮴

 

즉, 방전시 양극 활성물질은 환원되어 수산화제1니켈[Ni(OH)2]로, 음극 활성물질은 산화되어 수산화카드뮴 [Cd(OH)₂]이 된다.전해액 수산화칼륨(KOH)은 방전에 의해 수산(OH)이 양극에서 음극으로 충전하고 음극에서 양극으로 이행하는 작용을 돕는 매개의 역할을 할 뿐 직접 활동물질과는 반응하지 않으므로 충, 방전 중의 전해액의 비중은 변화가 없다.

 

또한, 물(H2O)이 방전시 분해되었다가 충전시 다시 합성되므로 전해액의 변화는 무시할 수 있다.

(전해액은 도전제로 작용, 충 방전으로 약간 물이 출입하지만 그 양은 적고 전해액 비중은 거의 변하지 않음)

 

 

8. 알카리 축전지의 극판(알카리 蓄電池의 極板)

알카리 축전지의 형식은 양극판과 음극판 속의 작용물질에 따른 포켓식과 소결식(燒結式)이 주로 사용된다.

1) 포켓식 극판

니켈도금을 한 마대강판에 작은 구멍을 뚫고, 작은 상자(포켓)속에 수산화 니켈을 주성분으로 하는 작용물질을 충전한다. 이 포켓의 작용물질로서 수산화 니켈을 충진(充指)하면 음극판이 된다.

포켓식의 양극판 및 음극판은 천공한 강판의 포켓속에 활물질을 충전하여 틀속에 배열한 구조이다.

 

2) 소결식 극판

얇은 강판의 표면에 니켈 분말을 고온으로 소결하면 무수한 작은 구멍의 기판이 된다. 이 작은 구멍속에 작용물질을 함침(含浸)시킨 것이 소결식 극판이다. 양극판 작용물질은 수산화 니켈을 쓰고, 음극판 작용물질은 수산화 카드뮴을 함침시킨다. 소결식 극판은 구멍이 매우 많아서 표면적이 크므로 일반적으로 대전류이고 우수한 전압특성이 요구되는 초급방전용 알카리 전지에 사용된다.

 

 

9. 세퍼레이터 (Separator)

세퍼레이터는 음, 양극판의 단락(短絡)을 방지하기 위해 사용되는 격리판으로 포켓식 알카리 축전지의 세퍼레이터는 내 알카리성의 많은 작은 구멍이 뚫린 염화비닐제(合成樹脂製)의 판이 사용된다.

소결식 알카리 축전지의 경우에는 포켓식과 같은 재질의 판이나 나일론과 같이 내 알카리성의 좋은 천이 사용되고 있다.

 

 

10. 알카리 축전지의 전해액(알카리 蓄電池의 電解液)

전해액은 순도 높은 가성카리(KOH) 용액에 소량의 첨가제를 가한 것을 사용하며, 보통 비중 1.24(20℃)인 전해액을 사용한다.

 

 

11. 알카리 축전지의 충전특성(알카리 蓄電池의 充電特性)

포켓식 알카리 축전지의 충전특성을 살펴보면, 5시간율(HR) 방전전류로 7시간(공칭용량의 140%)동안 일정전류를 충전할 경우, 충전전압은 충전개시 직후에는 약 1.35[V]를 나타내고, 충전이 계속되는 상태에서 1.5[V]까지 서서히 상승하게 되고, 충전종기(充電終期) 때가 되면 1.7[V]까지 급상승하게 되어 그 이후에는 거의 전압의 변화를 나타내지 않는다.

충전단계에서 전류의 일부가 물의 전해반응이 생겨 양극으로부터 산소(O2), 음극으로부터 수소(H2)가 발생된다.

 

충전전압은 저온이 되면 전반적으로 높게되고, 충전종기때나 볼 수 있는 전압상승 현상이 되면 충전전압이 낮아지게 되고 따라서 충전이 어렵게 된다.

특히, 충전중의 온도가 +45[℃]이상이 되면 충전이 되지 않는데, 이는 양극판이 충전되지 않기 때문이다.

 

 

12. 알카리 축전지의 방전특성(알카리 蓄電池의 放電特性)

포켓식 알카리 축전지의 경우, 공칭용량을 결정하는 방전조건은 5시간율 전류(0.2C)로 종지전압까지 방전하게 된다.

 

충전후 수십일 동안 자연방치하면 방전하게되고, 그림의 EB와 같이 낮은 전압으로 나타난다.

이것은 충전종기에 양극작용 물질이 일부 산화니켈(NiO2)만큼 산화되어 그 영향으로 나타나는 것이다. 이는 산화니켈이 불안정하여 수십일간에 안정한 NiOOH로 변화하여 전압이 저하되기 때문이다.

종지전압을 지나 방전이 계속되면 전압은 전극(電極)되어 충전때와는 반대로 양극으로부터 수소(H2), 음극으로부터는 산소(O2)가 발생한다.

 

방전전류가 크게되면 방전전압은 낮아지고, 따라서 전기량(용량)도 저하된다. 또한 방전중 온도가 낮아지게 되며 방전전압 및 용량이 저하되고, 반대로 온도가 높아지면 성능이 향상된다. 35～40[℃]부근이 한도로써 45[℃]이상이 되면 용량은 즉시 저하하게 된다.

 

비중(比重)

어떤 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준 물질의 질량과의 비(표준 물질로 보통 증류수 사용)를 “비중”이라 한다.

 

활성(活性)

빛, 기타 에너지의 작용에 따라 물질의 반응속도가 활발하고 빨라지는 일을 “활성”이라 한다.

 

활성 화합물(活性 化合物)

다른 물질과 쉽게 화학작용을 일으켜 에너지를 높이거나 새로운 화합물을 조성하기 쉬운 물질을 “활성 화합물”이라 한다.