배터리에 대하여 알아보자 (고등학교 과제물 제출)
배터리의 모든 것
고등학교 과제물 제출에 사용된 '배터리의 모든 것'에 대한 내용입니다. 출처는 인터넷의 각종 정보로 마음껏 가져다 사용하셔도 됩니다. 지금부터 배터리에 대한 모든 정보를 알아보도록 하겠습니다.
주제 선정 이유
일상생활에 사용되는 많은 전자제품에는 배터리가 사용됩니다.
최근에는 전기자동차가 개발되면서 전기자동차에 들어가는 배터리에 많은 관심을 가지게 되었습니다.
이번에는 우선 배터리가 무엇인지 알아보기 위해서 배터리에 대해서 조사하였습니다.
배터리의 정의
배터리(battery)란 교류발전기에 의해서 생성된 전기를 저장하고, 스마트폰이나 자동차 등의 전기 시스템에 전기를 공급하기 위해 전력을 내보내는 장치입니다.
배터리의 원리
가장 흔하게 볼 수 있는 화학전지는 두 가지 금속의 이온화도 차이에서 오는 전위차를 이용합니다.
이온의 양이 많을수록 흘려보낼 수 있는 전하의 양도 많기 때문에 같은 종류인 전지의 용량은 크기에 거의 비례하는 것을 알 수 있습니다.
이러한 배터리는 충전 가능 여부에 따라 충전이 불가능한 1차 전지와 충전이 가능한 2차 전지로 나뉩니다.
먼저, 1차 전지(Primary cell)는 전지 내에 전류를 흘려줌으로써, 방전 시에 일어난 화학 반응을 역으로 되돌리는 것이 불가능합니다.
화학 반응자들은 전지에 역방향의 전율을 걸어 준다고 해서 본래의 위치로 돌아가지 않습니다. 따라서 전지의 용량이 회복되지도 않습니다.
1차 전지의 수명은 양극과 음극 중 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진하면 수명을 다하게 됩니다.
다음으로, 축전지(accumulator)라고도 불리기도 하는 이 2차 전지(secondary cell)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어내고 재사용할 수 있는 장치를 말합니다.
주로 쓰이는 2차 전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴(NiCd), 리튬이온 전지(Li-on), 리튬이온 폴리머 전지(Li-ion poolymer) 등이 있습니다.
배터리의 종류
배터리는 크게 납 축전지, 니켈 수소 배터리, 리튬 이온 배터리, 마그네슘 배터리, 사물 배터리
1. 납 축전지
먼저 일반적으로 사용하는 축전지라고 알려져 있는 납 축전지(lead–acid battery)는 전기화학반응을 이용하는 축전지로 납과 황산을 이용한 2차 전지라고 할 수 있습니다.
축전지는 1859년 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테(Gaston Planté)에 의해 발명되었습니다.
이와 같은 납 축전지의 작동 원리에 대해서 구체적으로 설명 드리자면 이온화도가 다른 두 개의 전극으로 이루어진 회로를 전해액이 통하도록 구성하면 이온화도가 큰 쪽의 전극으로부터 반대쪽 전극으로 전자가 이동하게 되는 원리를 가지고 있습니다.
납 축전지는 화학반응이 가역적이어서 외부에서 전류를 공급하면 다시 원래 상태로 돌아갈 수 있게 되어 방전과 충전의 반복 사용이 가능하다는 특징이 존재합니다.
또한, 높은 전류량을 얻기 위해서는 전극의 면적이 커야 하므로, 실제 축전지에서는 여러 개의 전극을 병렬로 연결하며, 셀당 기전력은 크기에 상관없이 약 2V로 일정하고 높은 전압을 얻기 위해서는 여러 개의 셀을 직렬로 연결하는 방법을 사용합니다.
납 축전지는 다른 2차 전지에 비교해서 경제적이지만 전지의 용량과 비교해서 다소 무거운 것이 단점이며, 납을 사용하기 때문에 환경 오염의 문제가 있지만, 황산의 누출 위험 상황만 없다면 다른 2차 전지들보다는 훨씬 안정적인 편입니다.
납 축전지는 자동차의 시동 및 조명 등 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있으며, 지게차와 골프용 카트 등과 같이 무게가 중요하지 않은 차량에서 많이 사용되고 있습니다.
나아가 산업용으로는 전력저장시스템(ESS)과 전자기기의 예비 전원 등으로 활용되고 있습니다.
2. 니켈 수소 배터리
니켈 수소 배터리(NiMH battery)는 니켈 카드뮴 배터리를 개선한 배터리로 음극에는 니켈, 양극에는 수소 흡장 합금을 사용하고 전해질로는 80바 이상의 압력으로 압축된 수소를 사용합니다.
지나치게 방전되거나 충전돼도 성능이 크게 떨어지지 않고 자연적으로 충전 용량이 줄어드는 기억효과(memory effect)도 적어 휴대전화나 노트북, 핸디캠 등에 널리 사용되어 왔습니다.
또한, 단위 부피당 에너지 밀도가 니켈 카드뮴 배터리와 비교했을 때 두 배에 가까워 고용량으로 제작할 수 있어 부피당 용량이 큰 장점이 있습니다.
그래서 초창기 전기자동차나 하이브리드 자동차에 두루 쓰였습니다.
하지만 단점으로 기억효과가 없는 것이 아니어서 완전히 방전하고 충전하지 않으면 용량이 줄어들며 오래 사용하지 않으면 자연적으로 방전된다는 점이 있었습니다.
3. 리튬 이온 배터리
위에서 설명드린 니켈 수소 배터리는 에너지 밀도가 높아 용량이 크다는 장점을 가지고 있었으나, 완전히 방전하고 충전하지 않으면 용량이 줄어든다는 치명적인 단점을 보유하고 있었습니다.
그래서 이러한 리튬이온 배터리를 개선해서 만든 배터리가 바로 리튬이온 배터리(Lithium-ion battery)입니다.
리튬이온 배터리는 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 배터리로, 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 됩니다.
이러한 리튬이온 배터리는 충전 및 재사용이 불가능한 1차 전지인 리튬 배터리와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬이온 폴리머 배터리(Li-Ion Polymer Battery)와도 다른 종류입니다.
리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 기억효과가 없고, 사용하지 않을 때 자가 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 스마트폰 등 시중의 휴대용 전자기기들에 많이 사용되고 있습니다.
그 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화 시스템, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세입니다.
하지만, 이러한 리튬이온 배터리는 잘못된 사용법으로 사용하게 되면 화재가 발생할 염려가 있으므로 각별하게 주의를 기울여야 합니다
4. 마그네슘 배터리
리튬이온 배터리의 단점으로 인해 연구진들은 배터리에 적용할 용도로 저렴하고 안전한 고에너지 밀도의 양극 재료인 마그네슘을 사용해 배터리를 제작하기 시작했습니다.
이렇게 탄생한 배터리가 바로 마그네슘 배터리(magnesium battery)입니다.
음극(cathode) 재료로 철과 황으로 된 황철석(pyrite)과 양극 재료인 마그네슘이 서로 짝을 이뤄 제작된 전지입니다.
이와 같은 마그네슘 배터리는 리튬이온 배터리와 비교했을 때 더 안전하고 매우 높은 용적, 중량을 제공하며, 높은 에너지 밀도를 보여주고 있습니다.
때문에 마그네슘 배터리의 장점을 통해 더 높은 전압의 호스트에 다양한 다원자 이온을 삽입하여 전기자동차를 위해 저렴한 가격으로 고에너지 배터리를 만들 수 있을 것이라고 기대하고 있습니다.
5. 사물 배터리
사물 배터리란 사물인터넷(IoT)이 인터넷 통신망으로 사물들이 연결되는 것과 같이, 배터리가 에너지원이 되어 사물들이 연결되는 것입니다.
이러한 사물배터리 기술을 접목한 기기들에는 스마트폰, 스마트워치, 스마트밴드, 전기자동차 등이 있습니다.
사물인터넷을 활용한 기기들에는 배터리가 필수적으로 필요하기 때문에 사물인터넷 기기들은 대부분 사물배터리가 탑재되어 있다고 생각하면 됩니다.
특히 스마트폰, 태블릿 PC, 각종 웨어러블 기기와 같은 IT 제품이 사물배터리 시대를 열었으며, 여기에 더해 최근에는 non-IT 기기인 전동공구, 전기자전거 등에도 사물배터리가 사용되고 있습니다.
배터리의 미래
배터리 기술은 계속 발전하고 있습니다.
특히 전기차의 보급이 확대되면서 고성능의 배터리가 요구되고 있습니다.
이를 위해 고용량, 고출력, 고성능을 가진 배터리 개발에 많은 연구가 진행되고 있습니다.
또한, 환경 친화적인 배터리 개발도 중요한 연구 주제 중 하나입니다.
느낀 점
배터리는 우리 생활의 많은 부분을 지원하는 중요한 기술입니다.
앞으로 개발될 제품들에도 필수적으로 들어가야 하는 부품이라고 생각하며 야외에서 활동할 때 특히 중요할 것 같습니다.
전기자동차가 상용화되려면 현재 배터리가 가지고 있는 단점을 많이 해결해야 하며 이런 단점들을 해결해서 전자제품을 조금 더 편리하게 사용하고 싶습니다.
위의 내용이 정리된 문서 파일이 필요하신 분은 위의 버튼을 눌러 다운로드하시면 됩니다.
이상으로 고등학교 과제물 제출에 사용된 배터리의 모든 것, 배터리에 대하여 알아보았습니다.