배터리의 종류

배터리의 종류

 

배터리의 종류는 여러 가지가 있으며, 각각은 특정 용도와 특성을 가지고 있다.

대표적인 배터리 종류는 다음과 같다

납축 배터리 (Lead-Acid Battery)

구조 및 작동 원리
○ 양극 (Positive Electrode): 납산화물 (PbO2).
○ 음극 (Negative Electrode): 금속 납 (Pb).
○ 전해질 (Electrolyte): 황산 (H2SO4) 용액.
○ 작동 원리: 충전 및 방전 과정에서 납과 납산화물 사이의 화학 반응을 통해 전기를 저장하거나 방출한다.

특징
○ 고전류 출력: 납축 배터리는 큰 전류를 제공할 수 있어, 자동차의 시동과 같은 고전력 요구 사항에 적합하다.
○ 비용 효율성: 생산 비용이 상대적으로 낮아, 다양한 용도에 널리 사용된다.
○ 무게 및 크기: 상대적으로 무겁고 크기가 크기 때문에, 이동성이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있다.
○ 유지 관리: 특히 개방형 납축 배터리는 정기적인 유지 관리가 필요하다. 이는 전해질 수준을 확인하고 필요시 보충하는 것을 포함한다.
○ 수명: 제대로 관리될 경우, 납축 배터리는 수년 동안 사용할 수 있다.
○ 환경 영향: 납은 독성이 있으므로, 배터리가 폐기되거나 재활용될 때 환경에 미치는 영향을 고려해야 한다.

주요 용도
○ 자동차 배터리: 자동차 시동, 조명, 음악 재생 등을 위한 전력을 제공한다.
○ 비상 전원 시스템 (UPS): 컴퓨터 서버와 의료 기기와 같은 중요 장비에 대한 백업 전원으로 사용된다.
○ 태양광 및 풍력 에너지 저장: 재생 가능한 에너지 시스템에서 에너지 저장 용도로 사용된다.

 

인산철 배터리(LiFePO4 battery) 

리튬 인산철 배터리는 리튬 이온 배터리의 한 종류로, 특히 안전성과 긴 수명으로 주목받고 있다. 

기본 구조 및 작동 원리
○  양극재: 리튬 인산철 (LiFePO4)를 사용한다.
○  음극재: 대부분 흑연을 사용한다.
○  전해질: 전통적인 리튬 이온 배터리와 유사한 액체 전해질을 사용한다.

 

주요 특징
○ 안전성: LiFePO4 배터리는 고온에서도 안정적이며, 과충전이나 과방전 상황에서도 화재나 폭발 위험이 낮다. 이는 양극재의 화학적 안정성 때문이다.
○  수명: 일반적인 리튬 이온 배터리보다 긴 수명을 가진다. 충전 사이클이 2000회 이상일 수 있으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 두 배 이상이다.
○  효율성: 높은 에너지 밀도를 가지고 있지는 않지만, 효율적인 에너지 사용과 안정된 방전 전압을 제공한다.
○  환경 친화성: 리튬 인산철은 독성이 낮고 환경에 덜 해로운 물질이다. 이는 폐기물 처리 시 환경 영향을 줄인다.
○  비용: 초기 비용은 높을 수 있지만, 긴 수명과 낮은 유지비용을 고려하면 경제적이다.

 

주요 용도
○  캠핑카 : 요새 캠핑카의 전기 설비에 주로 사용된다. 안정성과 수명 무게 등을 고려하여 최적의 솔루션이라 할 수 있다.

○  전기자동차 : 안전성과 긴 수명으로 인해 전기차의 배터리로 적합하다. 물론 일반 자동차 배터리용으로도 가능하다.
○  에너지 저장 시스템 (ESS) : 태양광이나 풍력 발전과 같은 재생 에너지 저장에 사용된다.
○  휴대용 전자 기기 : 고출력 필요 기기에 사용된다.
○  백업 전원 시스템 : UPS(무정전 전원 공급장치)에 사용되어 중요 시스템의 전력을 안정적으로 공급한다.

아연-탄소 배터리 (Zinc-Carbon Battery)

아연-탄소 배터리는 1859년에 개발된 가장 오래된 1차전지 중 하나로, 아연 금속과 탄소 막대를 이용하여 전기를 발생시킨다. 간단하고 비용 효율적인 일회용 배터리 유형으로, 많은 소형 가전 제품에 널리 사용된다.

구조 및 작동 원리
○ 양극 (Positive Electrode) : 탄소 막대, 망간 산화물 (MnO2)을 사용한다.
○ 음극 (Negative Electrode) : 금속 아연(Zn)으로 만든 앏은 판으로 보통 배터리 외부 케이스로도 사용된다.
○ 전해질 (Electrolyte) : 염화 암모늄(NH4Cl) 또는 염화 아연(ZnCl2) 용액이 주로 사용된다.
○ 작동 원리 : 아연 음극은 전자를 방출하고, 탄소 양극은 전자를 받아들인다. 전자는 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동한다. 이때, 전자는 전기 에너지를 생성한다.

특징
○ 비용 효율성 : 아연-탄소 배터리는 제작 비용이 매우 낮아 경제적이다.
○ 에너지 밀도 및 출력 : 에너지 밀도가 낮고, 전력 출력도 비교적 낮은 편이다.
○ 수명 : 자연 방전률이 높고, 작동 수명이 상대적으로 짧다.
○ 환경 영향 : 환경 친화적이지 않은 재료를 사용하며, 재활용이 어렵다.
○ 용도 제한 : 낮은 에너지 밀도와 출력 때문에, 고전력이 필요하지 않은 소형 가전 제품에 주로 사용된다.

주요 용도
○ 소형 가전 제품 : 손전등, 원격 제어기, 벽시계, 라디오 등에서 주로 사용된다.
○ 일회용 제품 : 저렴한 비용으로 인해 일회용 제품에 적합하다.

○ 자동차용 배터리

아연 탄소 배터리는 가격이 저렴하고 내구성이 뛰어나다는 장점이 있어 자동차용 배터리로도 개발되고 있다. 특히, 전기차의 보급 확대에 따라 저렴한 가격의 배터리 수요가 증가할 것으로 예상되며, 아연 탄소 배터리는 이러한 수요에 부응할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

아연 탄소 배터리의 자동차용 배터리로 개발을 위한 연구는 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 사례로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 현대자동차와 고려아연은 2023년 1월, 아연 탄소 배터리의 자동차용 배터리로 개발을 위한 업무협약을 체결했다. 양사는 아연 탄소 배터리의 핵심 기술인 촉매를 상온에서 대량 생산할 수 있는 기술을 개발하기 위해 협력할 예정이다.
• 미국의 벤처기업인 그린파워셀(Green Power Cell)은 2022년 12월, 아연 탄소 배터리를 기반으로 한 전기차용 배터리팩을 개발했다고 발표했다. 이 배터리팩은 에너지 밀도 120Wh/kg, 출력 밀도 250W/kg의 성능을 갖추고 있다.
• 일본의 니혼전기(Nihon Denki)는 2022년 11월, 아연 탄소 배터리를 기반으로 한 전기차용 배터리 개발에 성공했다고 발표했다. 이 배터리팩은 에너지 밀도 100Wh/kg, 출력 밀도 200W/kg의 성능을 갖추고 있다.

아연 탄소 배터리의 자동차용 배터리로 개발을 위해서는 다음과 같은 기술적 난관을 극복해야 한다.

• 에너지 밀도와 출력 밀도의 개선: 아연 탄소 배터리의 에너지 밀도와 출력 밀도는 리튬이온 배터리보다 낮다. 이를 개선하기 위해서는 새로운 촉매와 전해질의 개발이 필요하다.
• 수명과 안전성의 확보: 아연 탄소 배터리는 리튬이온 배터리보다 수명이 짧고, 안전성이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해서는 새로운 구조와 공정의 개발이 필요하다.

 

니켈-카드뮴 배터리 (NiCd, Nickel-Cadmium Battery)
구조: 니켈 산화물과 카드뮴을 사용합니다.
특징: 재충전 가능, 높은 출력, 견고함.
용도: 전동 공구, 휴대용 전자 기기.
단점: 메모리 효과, 환경에 해롭다, 비교적 짧은 수명.

니켈-수소 배터리 (NiMH, Nickel-Metal Hydride Battery)
구조: 니켈과 수소 흡수 합금을 사용합니다.
특징: 높은 에너지 밀도, 재충전 가능, 환경 친화적.
용도: 디지털 카메라, 하이브리드 자동차.
단점: 메모리 효과(적은 정도), 자연 방전률이 높음.

리튬 이온 배터리 (Li-ion, Lithium-Ion Battery)
구조: 리튬 코발트 산화물 등을 사용합니다.
특징: 가벼움, 고용량, 메모리 효과 없음.
용도: 스마트폰, 노트북, 전기자동차.
단점: 과충전 또는 과방전 시 위험, 비용이 높음, 수명 제한.

리튬 폴리머 배터리 (Li-Po, Lithium Polymer Battery)
구조: 리튬 이온과 유사하지만, 액체 전해질 대신 고체 폴리머 사용.
특징: 가볍고, 유연한 형태, 높은 전력 밀도.
용도: 휴대용 전자 기기, RC 장난감, 드론.
단점: 리튬 이온보다 비싸고, 관리가 필요함.

알칼라인 배터리 (Alkaline Battery)
구조: 아연과 망간 산화물, 알칼라인 전해질 사용.
특징: 높은 에너지 밀도, 긴 수명.
용도: 장난감, 시계, 원격 제어.
단점: 일회용, 가격이 아연-탄소 배터리보다 높음.

은-아연 배터리 (Silver-Zinc Battery)
구조: 은 산화물과 아연을 사용합니다.
특징: 매우 높은 에너지 밀도, 비싸다.
용도: 군사용 장비, 일부 의료 기기.
단점: 비용이 매우 높음, 제한된 사용.