지금까지 축전지라 하면 자동차용 배터리로 대표되는 납축전지나 빌딩의 비상용 전원, 통신용, 조작용 등에 사용되고 있는 산업용 납축전지 및 알칼리 축전지가 주류였다. 하지만 최근 휴대전화용 소형전지로 대표되는 니켈수소전지나 리튬이온전지가 확대돼 사용되고, 실용적인 이차전지의 종류도 넓어지고 대용량으로 개발하는 등, 각각의 특징을 살린 용도로 급격하게 확대되고 있다.
축전지는 기본적으로 양과 음의 전극판과 전해액으로 구성돼 있어 화학작용에 의해 직류기전력을 생기게 해 전원으로 사용할 수 있는 장치이다. 화학에너지와 전기에너지 사이의 전환이 일어날 수 있도록 만들어져있는데, 그 횟수가 1회에 한정되는 것은 1차 전지, 여러 번 가능한 것은 2차 전지다.
일반적으로 축전지는 충전과 방전을 통해 에너지를 전이시킬 수 있다. 화학에너지를 전기에너지로 변화시킬 수가 있는데, 이 상태를 방전이라 한다. 또 다른 전원으로부터 전기에너지를 공급해 화학에너지로 변화시켜 축적할 수 있는데, 이 상태를 충전이라 한다.
이와 같이 충전과 방전이 반복되는 전지를 축전지 또는 2차 전지라고 한다. 건전지는 충전과 방전이 반복되지 않는 것이며, 이것은 1차전지의 하나이다. 축전지로는 1859년 프랑스의 R.L.G. 플랑테가 발명한 납축전지가 가장 널리 사용되며, 그밖에 알칼리 축전지가 있다.
종류별로 본 축전지의 특징
납축전지는 양극에 과산화납 PbO2, 음극에 해면상(海綿狀)의 납 Pb을 사용하고 비중이 1.2~1.3인 황산 H2SO4에 넣은 것이다. 실제로는 극판면적의 증가를 위해 많은 양극과 음극의 극판이 병렬로 연결되어 있으며, 또 각 극판 사이에는 절연물(絶緣物)로 만든 격리판이 들어있다.
충전된 상태에서는 양극은 이산화납, 음극은 납이지만 방전을 계속하면 양극과 음극은 다 같이 황산납으로 되며, 동시에 물이 생기게 되므로 전해액의 비중이 저하한다.
또 충전된 상태에서 양극은 다갈색, 음극은 납색으로, 방전을 계속하면 양극(兩極)이 다 같이 회백색으로 된다. 납축전지의 기전력은 약 2V이지만, 방전하는 사이에 서서히 저하하여 1.8V 정도까지 저하하면 다시 충전을 시켜야 한다.
축전지는 크기에 관계없이 기전력은 같으나, 극판면적을 증가하여 전지의 조(槽)를 크게 하면 용량이 증가해서 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 충전은 전지의 양 단자에 전원의 양 단자를 연결하고 규정의 전류값을 유지하면서 계속한다.
충전이 진행되는데 따라 양극판은 다갈색으로, 음극판은 납색으로 변화하며, 충전전류를 흘리는 상태에서 전압이 2.7~2.8V로 높아지며, 전해액의 비중이 서서히 증가해 1.26 정도로 되면 충전종료로 보아도 된다.
충·방전의 반복회수는 많은 것에서는 1,000회 이상이 되며, 내용연수(耐用年數)는 긴 것은 몇 년이나 된다. 축전지의 효율은 충·방전할 때의 암페어시(Ah) 또는 와트시(Wh)의 비를 취해 각각 암페어시 효율, 와트시 효율이라고 한다.
전자는 대개 90%, 후자는 일반적으로 75%이다. 축전지의 기전력은 주위온도가 변화해도 거의 변화하지 않는다고 볼 수 있으나, －30℃ 정도의 저온에서는 성능이 저하한다. 용도는 가솔린 자동차의 점화용 전원, 전기기관차·전동차·잠수함의 동력(動力), 교통신호, 열차 내 전등용, 직류전원 등에 사용된다.
알칼리 축전지는 양극에 수산화니켈, 음극에 카드뮴, 전해액으로는 알칼리 용액을 사용한 것을 융너(Jungner)식 알칼리 축전지라 하며, 음극에 철을 사용하고 다른 것은 융너식과 같은 것을 에디슨(Edison)식 알칼리 축전지라 한다. 일반적으로 융너식 알칼리 축전지가 널리 사용되고 있다.
기전력은 약 1.2V인데, 방전 종료 시에는 1.1V로 된다. 암페어시 효율은 약 85%, 와트시 효율은 약 80%이다. 알칼리 축전지는 진동(振動)에 견디며, 자기방전(自己放電)이 적고 평균수명이 길어 7~25년 사용할 수 있으며, 또 －20~45℃의 넓은 온도범위에서 사용할 수 있다. 알칼리 축전지 중에서 극판에 니켈·카드뮴을 사용한 것은 극판의 제법에 소결법을 사용한 것이 있다.
이것은 내부저항이 작고 완전한 밀봉식으로 만들어져서 소형경량화되며, 저온시의 특성이 좋다. 또 산화은 분말을 은망(銀網)에 도포해서 굳힌 것을 양극판으로 하고, 수산화아연을 음극판으로 하여 전해액으로는 가성칼리(수산화칼륨) 용액을 사용한 알칼리 축전지가 있다.
방전 중의 전압은 1.2~1.5V, 소중량으로 대용량이 만들어지고 급격한 대전류가 흐를 수 있는 등의 특징이 있기 때문에, 가격은 비싸지만 통신병기나 로켓의 전원으로서 주목되고 있다.
각종 축전지의 최근 실용화 용도 및 과제
납축전지 신규용도로의 실용화
납축전지에서의 최근 특징적인 용도로서 디젤엔진버스의 매연 삭감책으로 전지파워 어시스트 시스템을 채용한 HIMR 버스의 개발이다. 이것은 65Ah, 12V의 부극흡수식 실(Seal) 납축전지를 25개, 세트전지로서 디젤엔진버스의 하부, 중앙부에 탑재하고 있다.
이 HIMR 버스는 주행 기동 시나 비탈길을 오를 때, 개조전지에서 파워어시스트 받고, 비탈길을 내려갈 때, 또는 버스 주행 시 브레이크를 제어할 때 발생하는 회생전력으로 축전지의 충전으로 거의 방열 전 밸런스를 유지하게 돼, 야간이나 정지 시에 일부 보충하는 전기로 통상적인 축전지의 상태를 보호하는 시스템이다. 이 축전지에서의 파워어시스트에 의해 디젤엔진에서의 발전가스를 중요시하는 복합방식의 버스이다.
이 HIMR 버스는 현재, 이미 도쿄에서 시작해, 전국의 주요대도시 및 매연의 환경을 중요시하는 국립공원 등지에서 약 100대가 실용화되고 있다. 이 용도의 축전지의 실용화 수명은 약 3년으로 기대된다. 또 최근 NTT나 새로운 통신회사의 전화국에서의 직류전원으로서 보수점검을 중요시하는 실(Seal) 납축전지로 전환해 무인체계로 바뀌고 있다.
이 용도에서 적당한 축전지로서 공장에서 500Ah, 혹은 1000Ah용량의 실(Seal) 단위전지, 6개를 유닛 금속틀에 수납해 유닛전지의 상태로 각각의 전원용량에 대한 유닛전지를 필요 수, 현지에서 반송하고, 현지에 걸려 가로상태에서 탑재고정하고, 배선하는 것으로 간단히 조전지가 설치할 수 있는 방식이다.
조전지의 실용상태에서의 기대수명은 25℃ 에서 12년 이상이다. 이러한 유저들의 새로운 요구에 응할 수 있는 대용량의 실(seal)납축전지의 유닛 전지화는 이것부터의 액식납축전지에서는 곤란하다. 설치공간이 작은 공간화도 설치 자유도에 응해서 한층 설치공사의 간소화에도 크게 기여한 것으로 평가되고 있다.
니켈-수소전지의 실용화
양극에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알카리 수용액을 사용한 2차 전지다. 고용량화가 가능하고 작고 가벼우며 과방전, 과충전에 잘 견디고 충전가능회수가 많아 최근 널리 사용되고 있다.
충전과 방전을 반복하는 2차전지에 속한다. 단위부피당 에너지 밀도가 니켈-카드뮴전지에 비해 2배에 가깝다. 니켈-카드뮴전지보다 고용량화가 가능하고 과방전 및 과충전에 잘 견딘다. 급속 충전과 방전, 소형·경량화가 가능하고 충·방전사이클 수명이 길어 500회 이상 충·방전이 가능하다. 니켈-카드뮴전지보다 자기방전율이 1.5배 이상 높았으나 오늘날은 기술이 발달해 니켈-카드뮴전지와 거의 비슷하게 발전했다. 그러나 급속하게 충전할 때에 니켈-카드뮴전지보다 높은 열을 발생하는 단점이 있다.
완전방전보다는 얕은 방전을 이용하는 것이 효율적이다. 휴대폰, 노트북컴퓨터, 소형 오디오카세트, 핸디캠 등에 널리 사용된다. 단위부피당 용량이 큰 점이 인정돼 전기자동차나 혼혈자동차에도 사용된다.
니켈·수소전지에서 최근 화제가 된 신규용도로서는 하이브리드 차로서 도요타 차의 한 모델에의 채용이 예가 될 수 있다. 이것은 종래의 엔진 차에 병렬로 6.5Ah 니켈·수소전지 240셀에서 되는 288V조전지의 채용하는 것에서, 저속주행 시에 매연발생을 제어해, 고속운전 주행 시에는 종래의 엔진주행으로 전환하는 것이 차후 회생제동 시에는 전지에 충전되는 것이다.
현재, 시장에서는 이미 수 10만대가 주행하고 있고, 앞으로도 점차 확대되는 분위기로 보이고, 가솔린 소비량을 제어하는 효과와 도시주행 시에 매연을 매우 제어하는 효과가 기대할 수 있는 것부터 지구온난화방지책의 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
리튬이온전지의 실용화 예
리튬이온전지에서의 실용화 예로서의 가장 가까운 것으로 휴대전화용 전지로서의 활용이 있고, 요즘 다시 전조의 알루미늄화 등에 의한 소형, 경량화 방향으로 개량이 진행되고 있다.
이 휴대전화용을 포함해 포터블 기구용 리튬이차전지로서의 원통형 및 각형전지의 규격화가 진행되고 있고 가까운 기간에 JIS 규격화가 될 예정이다. 더구나 이 전지는 고성능 에너지 밀도를 갖는 전지라는 점에서 실용화의 가치는 실로 다양하다.
앞에서 서술한 하이브리드차에서의 적용으로 일본의 자동차 업체에서는 망간계 리튬이온전지가 채용되고 있다. 더구나 종래의 고성능전지로 대표되는 산화은전지가 채용되고 있던 우주개발 로켓의 엔진제어용, 가령 심해부수정의 동력전원으로서 영역까지 그 활용이 검사되고 있다.
납축전지의 향후 전망되는 용도의 예
납축전지는 지금까지 각 용도에서의 요구에 대해, 좋은 적응성을 발휘해오고 있으므로 점차 앞으로 증가해 나갈 것으로 예상된다. 최근 자동차용도에서는 전원의 고전압화가 검사되고 있고, 그 예로서 20Ah, 36V 실(Seal)납축전지에서의 적응이 고려되고 있다.
이 경우, 셀 수가 종래의 3배로 증가하는 것부터 시작해 제조품질의 불량이 적지 않아 실사용에서의 상태검지기술이 요구된다. 또한 현재 정부의 경기회복정책으로 전력 IT(Information Technology 정보통신기술) 산업이 활기를 띠게 될 전망이어서 전기·통신업계의 대대적인 투자가 기대되고 있다.
이 분야의 구체적 개발항목 중 하나는 각 가정에서 광섬유에 의한 네트워크에 있어 쌍방향 인텔리전트 통신망 연결하려고 하는 것으로 광섬유케이블의 각 가정에서의 분기점에서는 변환장치 설치가 이뤄질 전망이다.
또한 변환장치에서는 3Ah, 12V정도의 소형 실(Seal)납축전지 채용이 예정되고 있고 그 용도에서는 여름, 겨울의 극한의 온도에서도 적응할 수 있는 기온변화에 대응한 기능이 요구되며 환경온도는 15∼＋60℃ 까지도 견뎌낼 수 있어야 한다. 이 조건에서의 실용수명은 3년 이상이고 납축전지에서의 여기까지 이상의 신속성에 대응한 기술혁신이 필요하다. 이러한 조건의 실현으로 납축전지의 새로운 시장이 열리고 있고, 레벨이 높아져 가고 있다.
니켈·수은전지의 향후 전개는 현재의 니카도전지(니켈카드륨전지)로 전환되는 시장이 기대된다. 때문에 대용량에서의 적응기중 확대와 저 비용화의 과제가 달성된다면 다시 그 시장은 엄청날 것으로 예상되고 있으며 현재 친환경 축전지 생산을 추구하는 한 회사에서 대용량화의 개발에 성공한 바 있다.
리튬이온전지의 실용화 과제
리튬이온전지의 과제는 무엇보다도 저비용화이다. 먼저 앞에서도 언급했듯이, 코발트산 리튬으로 전환해 망간산 리튬이나 니켈산 리튬으로의 교체가 평행하게 검사되고 있다. 리튬이온전지에서의 과제는 저 비용화고 또 하나 과제는 대용량화이다.
이 과제에서의 도전에서 전기자동차용 90Ah 급이 발표되고 있고, 심해부수층 등에 특수용도에서는 200Ah, 400Ah 급의 대용량전지가 이미 검사되고 있으며 이에 대한 기술개발 과제도 실현 단계에 와 있다.
