배터리의 구조 및 종류

 

 

 

배터리의 구조

배터리는 자동차가 정상적으로 기능하기 위해 없어서는 안 될 중요한 존재다. 배터리가 대전류를 공급해 스타터 모터를 돌려주기 때문에 엔진을 기동할 수 있다. 또 엔진이 회전하는 중에 알터네이터가 만들어내는 전기량 이상으로 전자 장비가 작동하더라도 배터리가 저장해놓은 전기를 사용하기 때문에 자동차는 아무 문제 없이 주행할 수 있다.
자동차에 탑재된 배터리는 납축전지다. 플러스 극판에는 이산화납, 마이너스 극판에는 순납이 각각 그리드(grid)라고 부르는 격자에 반죽 형태로 발라져 있다. 극판과 극판의 접촉을 방지하는 격리판과 페이스트(paste, 반죽 형태의 전해질)가 떨어지는 것을 방지하는 글라스매트를 배치하고 황산 전해액에 담근 구조다. 배터리 케이스 내부는 6개의 전해조가 독립되어 있다. 각 전해조에서 발생하는 전압은 배터리의 비중이 1. 280일 때 2. 13볼트로, 배터리 전체로는 12.78볼트의 전압을 만든다.
배터리가 충·방전을 할 때의 화학 작용은 아래 그림과 같은데, 방전이 진행되면 물이 늘어나는 것이 특징이다. 배터리의 충전 상태를 확인하기 위해 전해액의 비중을 측정하는 이유는 충·방전에 따라 배터리 안에서 이런 변화가 일어나기 때문이다. 배터리 기술이 발전하면서 1990년대 이후부터는 관리 편의성을 중시한 캡리스(capless) 구조의 배터리가 많이 등장했고, 비중 측정뿐만 아니라 전해액의 보충도 필요 없게 1회용 방식을 채택하거나 긴 수명을 지닌 배터리를 대부분 사용하고 있다.
충전이 진행되어 용량을 가득 채울 만큼 전기가 쌓이면 배터리에서는 수소 가스가 대량으로 발생하므로 불을 가까이 하지 않는 것이 취급상의 주의점이다. 플러스 극판의 이산화납과 마이너스 극판의 순납 모두 충·방전을 반복하면 서서히 화학 반응이 일어나지 않게 되어 배터리의 용량이 저하된다.
이런 일반적인 액체식 배터리와 달리 전해액을 매트에 흡착시키고 윗면의 플러그 캡과 공기구멍을 완전히 없앤 이른바 드라이 배터리(dry battery)도 있다. 액체식과는 달리 가로 방향으로 탑재해도 액체가 샐 우려가 없어 하이엔드 오디오를 장착할 때 이용한다. 경주용 차에서도 충돌에 의한 전해액 화재를 방지하기 위해 사용하는 경우가 있어 한때 주목받기도 했으나, 높은 가격 때문에 특수한 목적에만 사용하는 게 대부분이다.

 

 

 

오른쪽의 상태가 왼쪽으로 변하는 것이 충전하는 상태 왼쪽의 상태가 오른쪽으로 변하는 것이 방전(전기를 사용)하는 상태

 

 

---

배터리 (전지)의 종류

 

현재 차량용으로 사용되는 배터리는 주로 납 축전지와 리튬 이온 배터리입니다. 또한 향후 전 고체 전지가 이용되는 리튬 이온 배터리를 대체 할 것으로 전망하고 있습니다.

납 축전지

납 축전지는 최초로 개발된 이차 전지이며, 양극에 이산화 납, 음극에 납, 전해액에 묽은 황산이 이용되고 있습니다. 충 방전을 반복하면 음극의 금속에 황산 납 딱딱한 결정이 발생하기 쉬워집니다.
따라서 납 전지는 사용을 반복함으로써 성능이 저하되고 수명이 저하되어갑니다. 하지만, 저렴하고 신뢰성도 높기 때문에 현재에도 널리 사용되고 있습니다.

<용도>
자동차, 선박, 소형 비행기의 배터리, 통신 · 방범 장비 및 시설 등의 비상용 전원, 지게차 나 AGV (자동 안내 차량) 등에 사용되고 있습니다.

 

리튬 이온 배터리

리튬 이온 전지는 1991 년부터 실용화가 시작되었습니다. 그때까지의 전지에 비해 가볍고 대용량 때문에 이차 전지의 주류를 이루고 있습니다.
양극에 리튬 함유 금속 산화물, 음극에 흑연 등의 탄소 재료, 전해액에 유기 전해액이 이용되고 있습니다. 충 방전을해도 전극의 금속은 화학 반응을 일으키지 않기 때문에 열화가 적고 오래갑니다.
또한 리튬 이온 전지는 납 축전지에 비해 배터리 1 셀 (전지의 최소 단위)에서 얻어지는 전압이 크기 때문에 동일한 전류가 흐른 경우보다 높은 전압을 얻을 수 있다는 특징이 있습니다. 또한 에너지 밀도가 높습니다.

<용도>
리튬 이온 전지는 휴대 전화, 노트북, 휴대용 음악 플레이어 등의 모바일 기기의 배터리로 사용할 수 있는 것은 물론, 전기 자동차 (EV)에서도 사용되고 있습니다.

전 고체 전지

<특징>
전 고체 전지는 현재 개발이 진행되고 있는 전지로 아직 본격적인 실용화에는 이르지 않았습니다. 리튬 이온 배터리와 비슷하지만, 전해액을 사용하지 않는 것이 큰 차이입니다.
장점으로 안전성이 높은 작동 온도 범위가 넓은 설계의 자유도가 높은 열화되기 어려운 생산성이 높은 것 등을들 수 있습니다.

<전지로서의 안전성>
리튬 이온 전지의 발화 사고가 주목 받게 되고, 전지의 안전성에 대한 요구가 높아지고 있습니다.
전 고체 전지는 전해액을 사용하지 않기 때문에 화재의 위험이 리튬 이온 전지보다 낮고,보다 안전성이 요구되는 오늘날 각 분야에서 실용화가 진행되고 있습니다.