유형
1. 일회용 배터리(1차 전지) : 일회용 배터리 내부의 화학반응은 역반응이 쉽게 일어나지 않기 때문에 충전이 불가능하다.
2. 충전식 배터리(2차전지) 충전기 형태의 외부 전원을 양 극단에 연결하여 충전이 가능하다.
3. 연료전지 : 활성가스(예, 수소)를 주입하여 전기화학적 반응을 오랫동안 유지시킨다.
일회용 배터리(1차 전지)
일회용 배터리의 에너지 밀도는 충전식 배터리보다 높으며, 보관하는 동안 용량이 줄어드는 속도가 느려 보관 기간도 훨씬 길다.
5년 이상 사용이 가능하여 감지기, 리모컨, 비상용 플래시 등에 쓰인다. 하지만 일회용 배터리는 75Ω 이하의 부하에 걸리는 높은 전류를 발생시키기에는 적합하지 않다. 이런 경우에는 충전식 배터리가 더 적합하다.
일반적으로 일회용 배터리는 탄소아연 배터리와 알카라인 배터리이다.
탄소아연 셀의 음극은 아연으로, 양극은 탄소로 만들어져 있다. 용량에 제한이 있지만 제조 단가가 가장 낮아서 '건전지가 포함된' 제품을 제조하는 업체에서 많이 사용한다.
알카라인 배터리의 음극은 아연 분말로, 양극은 이산화망간으로 만들어져 있고, 전해액은 수산화칼륨이다. 알카라인 배터리는 탄소아연 배터리에 비해 용량이 3~5배가량 크고 방전 사이클 동안의 전압강하에 덜 민감하다.
일부 군사용 작업에서 사용하는 배터리는 보관 수명이 길어야 한다. 이런 경우에는 주액 전지(reserve battery)를 사용한다. 주액 전지는 내부 화학 화합물을 분리했다가 사용 직전에 다시 결합할 수 있다.
충전식 배터리(2차 전지)
보편적으로 이용되는 종류로는 납 축전지, 니켈카드뮴, 니켈수소, 리튬이온, 리튬이온 폴리머 배터리 등이 있다.
납 축전지는 100년 이상 사용되어 왔으며, 지금도 차량용, 도난 방지기, 비상구 표시등, 대용량 전원 백업 시스템 등으로 널리 이용되고 있다. 초기의 납 축전지는 '침수형(flooded, 일반적으로 전지액이라고 불림)으로 황산 용액을 전해핵으로 사용했으며, 주기적으로 증류수를 채워 넣고 가스를 빼야 했다. 이 작업을 하는 동안 배터리의 덮개가 열려 있으면 산성 용액이 쏟아지기도 했다.
현재는 물을 채울 필요가 없는 밸브조절식 납 축전지(valve-regulated lead-acid battery, 이하 VRLA)의 사용이 점차 늘고 있다. 이 모델은 압력방출밸브가 포함되어 있으나 배터리가 어떻게 놓여 있어도 전해액이 샐 염려가 없다. VRLA 전지는 데이터 처리 장비용 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply, 이하 UPS)에서 주로 이용되며, 가스 방출량이 적고 전해액이 샐 위험이 없어 안전하기 때문에 자동차나 전기 휠체어에서도 많이 사용된다.
VRLA 전지는 AGM(absorbed glass mat)과 젤 전지(gel battery)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. AGM의 전해액은 섬유유리판(fiber glass mat) 분리막에 흡수되어 있다. 젤 셀에서는 전해액이 실리카 가루와 섞여 고체 상태의 젤을 형성한다.
딥사이클 배터리(deep cycle battery) 또는 심방전 전지라는 용어는 납 축전지에 적용할 수 있다. 이 용어는 낮은 수준까지 방전되는 것을 허용한다는 의미이며, 그 수준은 대략 안전 충전 수준의 20% 정도다.
니켈카드뮴(NiCad) 배터리는 대단히 높은 전류를 견딜 수 있지만, 유럽에서는 금속성 카드뮴의 독성 때문에 사용이 금지되어 있다. 미국에서는 니켈카드뮴 배터리를 메모리 효과가 없는 니켈수소 배터리로 대체하고 있다. 니켈카드뮴 배터리는 메모리 효과로 인해 일부 방전된 상태에서 수 주 또는 수개월 동안 방치되면 완전히 충전되지 않는다.
리튬이온 배터리와 리튬이온 폴리머 배터리는 에너지 질량 비(energy-to-mass ratio)가 니켈수소 배터리보다 좋아서 노트북 컴퓨터, 미디어 플레이어, 디지털카메라, 휴대전화 등에 널리 이용되며 전기차에도 사용된다.
용량
배터리의 전기 용량은 암페어시(ah, AH, A/H)로 측정한다. 작은 값은 밀리암페어시로 측정하며, 기호는 mAh이다. I를 배터리에서 흐르게 하는 전류(단위 A, 암페어)라 하고, T를 그 전류가 흐르는 시간이라고 할 때 Ah는 다음 공식과 같이 주어진다.
Ah = I * T
만일 배터리 제조업체가 정한 Ah 규격을 알고 있다면, 배터리가 특정 전류를 흐르게 하는 시간을 계산할 수 있다.
T = Ah / I
이론적으로 Ah는 주어진 배터리에 대하여 상수이다. 따라서 규격이 4Ah인 배터리는 1A의 전류를 4시간 동안 흘릴 수 있고, 4A 전류를 1시간 동안 흘릴 수 있다.
현실에서는 이렇게 편리한 선형 등식은 존재하지 않는다. 전류가 치솟으면 이 관계는 곧바로 깨지는데, 특히 성능이 썩 좋지 않은 납 축전지를 이용하여 높은 전류를 전송할 때 이 공식은 거의 성립되지 않는다. 전류 중 일부는 열로 소실되며, 배터리는 전기화학적으로 요구를 만족시키지 못한다.
포이케르트 계수(Peukert number, 최초 고안자인 포이케르트의 이름에서 딴 것이다.)는 높은 전류에서보다 현실적인 T를 구하기 위한 변수이다. 배터리의 포이케르트 계수를 n이라고 하면, 이전의 공식은 다음과 같이 수정될 수 있다.
T = Ah / Iⁿ
제조업체는 일반적으로 배터리 사양에 포이케르트 계수를 표시한다. 따라서 어느 배터리의 전기 용량이 4Ah라고 하고, 포이케르트 계수가 1.2(이 값은 납 축전지의 일반적인 데이터이다), I를 5라고 한다면
T = 4 / 5¹´² = 약 4 / 6.9
불행하게도 오늘날에는 이 측정 절차가 반대가 되었다. 배터리에 흐르는 전류를 정하는 대신 제조업체는 테스트가 진행될 시간을 먼저 정하고 그동안 배터리가 전달될 수 있는 최대 전류를 구한다. 보통 테스트는 20시간 동안 진행된다. 따라서 어떤 배터리가 현대적인 의미로 4Ah 규격을 갖는다면, 배터리는 포이케르트 시대의 방식대로 4시간 동안 1A를 흘린 것이 아니라, 20시간 동안 0.2A를 전달했음을 뜻한다. 이것은 다시 이야기하면 4시간 동안 1A(강한 전류)를 전달한다는 이야기와 같기 때문에 정확한 데이터로 사용할 수는 없다. 하지만 여전히 포이케르트 공식은 사용되고 있으며 부정확하게 산출되고 있다.
일렉트로닉스의 크리스 깁슨(Chris Gibson)이 제안한 공식은 AhM이 현대식 배터리 용량이라고 하고(단위 Ah), H는 제조업체에서 테스트한 시간, n은 앞에서와 같이 제조업체가 제공한 포이케르트 계수라고 하자. 그리고 I는 배터리에서 얻고 싶은 전류라고 하자. 다음은 T를 구하기 위해 수정된 공식이다.
T = H * (AhM / (I * H)ⁿ)
H는 어떻게 알 수 있는가? 대부분의 제조업체는 이 값을 제공하는 것이 충방전율이라고 한다. 이 값은 H의 역수(1/H)이다.
H = 1 / 충방전율
점점 머리가 아파져 온다!! 여기까지 하자.
배터리에 대한 이야기를 마친다.
#출처 : 찰스 플랫 지음/ 배지은 옮김 , "전자부품 백과사전"(2015), P35~57
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