이차 전지, 축전지, 과충전 시 열 폭주 현상 질식소화포로 진압, 화재 위험성 상존

363. 이차 전지, 축전지, 과충전 시 열 폭주 현상 질식소화포로 진압, 화재 위험성 상존 

이차전지 이미지

 

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Ⅰ. 이차 전지, 축전지의 개요, 설명, 정체, 정의 등

1. 이차 전지, 축전지의 정의

 

2차 전지(두 二, 버금 次, 번개 電, 못 池), 영어명 : rechargeable battery, storage battery, secondary cell, 이전 명칭 축전지(쌓을 蓄, 번개 電, 못 池) 영어명 : accumulator는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치를 말합니다.

2. 충전식 전지

여러 번 반복으로 충전할 수 있다는 뜻으로 충전식 전지라는 명칭도 쓰이고 있습니다. 보통 쓰이는 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있습니다.

3. 이차 전지의 경제성 효과

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지(primary cell)에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공하고 있습니다. 이차 전지는 표준 AA, AAA, C, sub_C, D, 9볼트 등의 규격으로 생산, 판매되고 있습니다.

4. 이차 전지의 장단점

여러 번 충전하여 사용할 수 있다는 것이 장점이지만 일차

충전식 전지

전지에 비해 더 고가이고 이차 전지에 쓰이는 화학물질이나 금속의 독성이 더 강해서 환경적으로 문제가 되고 있습니다.

5. 일차 전지의 특성

이에 반하여 일차 전지는 환경에 영향을 주는 독성 물질이 상대적으로 매우 적습니다. 니켈 수소 축전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 주장하고 있습니다.

Ⅱ. 이차 전지의 소재

주로 쓰이는 이차 전지는 기존의 자동차에서 주로 사용하고 있는 납 축전지(lead-acid accumulator), 워크맨 등의 오래된 가전제품에서 사용되던 니켈-카드뮴 전지(NiCd)와 니켈수소 전지(NiMH), 그리고 현대의 스마트폰을 비롯한 각종 가전제품과 전기자동차에서 사용되는 리튬 이온 전지(Li-ion) 등이 있습니다.

Ⅲ. 이차 전지의 이용

1. 이차 전지는 충전 후에 자가 방전으로 에너지를 잃는 속도가 일차 전지에 비해서 매우 빠르고 사용하기 전에 다시 충전해서 사용해야 합니다.

이차전지 생산공장 이미지

 

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2. 일회용 전지에 충전하면 전지 폭발의 가능성이 있으니 주의해야 합니다.

 

3. 2차 전지(예: 리튬이온전지)는 완전히 충전되었을 경우 폭발의 위험성이 있습니다.

 

4. 다른 이차 전지(예: 니켈-카드뮴 전지)는 용량을 유지하기 위해 주기적으로 충분히 방전해 주어야 합니다.

 

5. 2차 전지는 현재 높은 전력이 필요한 곳에서 사용이 됩니다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있습니다. 그리고 현대에는 하이브리드 자동차, 전기 자동차에 적용하여 가격과 중량을 줄이고 수명을 늘리는 기술을 적용하고 있습니다.

 

6. 니켈-카드뮴 전지는 기억 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지 축전 용량이 줄어드는 단점이 있습니다.

Ⅳ. 이차 전지 종류별 특징

구분	리튬이온전지	니켈수소전지	니켈카드뮴전지	리튬폴리머전지
용량	많다	많다	적다	많다
자연 방전	거의 없다.	보통	많다	거의 없다.
메모리 효과	없다	보통	많다	거의 없다.
특징	•폭발사고 위험성 존재 •저온 방전 가능성 소 •전압이 높음 •이차 전지 시장의 대부분을 점유 •가벼운 중량 •역충전의 위험성 있음	•저렴한 가격이 특징 •전압이 니켈-카드뮴 전지와 같으므로 호환성 가능 •급속 충⋅방전 가능 저온 성능이 우수 •밀폐화 가능 •과충전, 과방전에 강 •공해물질 최소	•급속 충⋅방전에 유리 •전류를 소모하고 반드시 100% 충전 필요 •수명이 길고 안정성이 좋음 •튜브식은 수명이 가장 김 •포켓식은 완방전용, 급방전용 둘다 적용	•고분자 전해질 적용으로 이온 전도도와 안전성이 높음 •종이처럼 엷고 가벼워 다양한 형상 설계 가능 •전해질이 반고체상태 젤로 폭발의 위험 상존 •과충전, 찌그러짐은 파열, 화재 등 치명적 위험 초래
용도	디지털 카메라 휴대전화, 노트북	하이브리드자동차 AA건전지 RC카	전동 면도기 코드 없는 진공청소기 가정용 무선 전화기 전동드릴, RC카	드론의 전원 핸드폰, 노트북 RC카

 

Ⅴ. 납축전지의 설명

1. 납축전지의 정의

납 축전지는 세계 최초로 발명된 이차 전지로서 1859년, 프랑스의 과학자 가스통 플란테가 발명하였습니다.

2. 납축전지의 구조

구조는 6개의 셀로 분할된 비부식성(주로 플라스틱 재질) 상자 내부에 과산화납으로 된 양극, 일반 납으로 된 음극, 그 사이에 비중 1.2 정도의 황산용액으로 구성된 전해액으로 매우 간단한 구조입니다. 일반산업계에선 흔히 연축전지라고 부르고 있습니다.

3. 납축전지, 연축전지의 사용처 등

셀 하나의 전압은 2V로 배터리 팩의 전압은 6V 또는 12V이며, 건설기계나 상용차에는 12V 배터리 두 개를 직렬 연결해 24V로 사용하고 있습니다.

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가격이 매우 저렴하여, 비용 대비 에너지 저장량이 현재로서는 가장 우수한 것으로 평가하고 있습니다. 주로 자동차 시동용 배터리와 소방용 비상 배터리, 전기자동차용 보조전원 배터리, UPS용 배터리로 사용하고 있습니다.

4. 교통사고 등으로 출격이 클 때 문제점은 없음

교통사고 등 큰 충격을 받아 상자가 파손돼도 전해액만 흘러나갈 뿐 터지거나 쇼트에 의한 화재가 발생하지 않아 안정적입니다.

5. 납축전지의 맹점

단자 연결을 잘못하거나 과도한 충전을 할 경우엔 수소 가스가 발생하며, 이것이 내외부적 과열이나 스파크, 혹은 화기에 의해 점화되면 폭발 및 화재의 위험이 있습니다.

Ⅵ. 니켈 충전지의 설명

소니의 니켈 수소 전지는 다른 말로 껌전지라고 부르고 있습니다. 니켈 카드뮴 전지(Ni-Cd)는 일상생활에서 접할 수 있는 2차 전지의 주류를 차지한 적이 있었으나 지금은 저용량에 중금속에 의한 환경문제 때문에 건전지가 대체할 수 있는 AA, AAA 크기 급에서는 거의 사장된 상태이며 UPS나 일부 실내 무선 전화기에 쓰이는 정도입니다. 2021년 현재 AA, AAA 크기의 니켈 카드뮴 전지는 드물고 배터리팩 상태로 상용화하고 있습니다.

 

니켈 카드뮴 전지는 1899년에 발명이 되었고, 납 축전지에 이어 두 번째로 발명된 이차 전지입니다.

Ⅶ. 리튬이온전지의 설명

1. 리튬이온전지의 정체

리튬이온전지는 일본의 과학자 요시노 아키라가 발명, 상용화하여 노벨상 수상을 하였습니다. 리튬을 주 소재로 하여 만들어진 전지로, 평균전압 3.6~3.8V, 완충 전압 4.0~4.35V로서 스마트폰을 비롯한 휴대기기, 전기자동차 등에 쓰이며 현재 가장 쉽게 접할 수 있는 전지입니다.

2. 기존 제품과의 차별성

기존의 니켈-카드뮴이나 니켈-수소 전지보다 전압과 용량이 커서, 에너지 고밀도 전지가 필요한 현대 휴대기기에서 적극적으로 사용되고 있습니다.

3. 리튬이온전지의 공용 규격

규격으로는 CR123의 충전판인 RCR123 이나 18650, 21700 등이 있고, 형태는 원통형, 각형, 파우치형에 따라 구분하기도 하고, 전해질, 양극재, 음극재의 재료 등에 따라 구분하기도 합니다.

4. 리튬이온전지의 가격 하락 현상

리튬 이온 전지의 가격은 점차 하락하고 있습니다. 2020년 평균 kWh당 가격은 $137(약 16만 원)였으나 이는 제조 원가이며, 소비자에게 판매하려면 보호회로 장착, 안전 인증 등 추가 비용이 필요하므로 소매 가격은 이보다 훨씬 비쌉니다.

 

Ⅷ. 이차 전지의 열폭주 위험성

1. 이차 전지의 폭발 위험성

리튬 이온 전지 자체가 매우 불안정한 물건으로 과방전 등으로 인한 폭발의 위험성이 있습니다.

2. 이차 전지의 과충전시 문제점

과충전 시에는 음극 쪽으로 부피가 팽창해 매우 불안정하고, 특히 전력밀도가 매우 높고 대부분 전해액이 유기용제로 만들어지는 경우가 많아, 내부에서 쇼트(단락)가 나거나, 양극과 음극이 어떠한 이유로 닿게 될 경우, 강한 외부충격을 받거나 과열되면 폭발해 화재가 발생해서 순식간에 큰 위험에 노출이 됩니다.

3. 이차 전지의 화재 발생 주의

이차전지 사용 전기자동차 화재사고 이미지

 

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화재가 발생하면 인체에 치명적인 피해를 주는 불산 등이 생성되고, 리튬 이온 배터리에서 불이 났을 때 급하게 물로 끄려 하면 더 큰 폭발이 발생할 수 있고, 질식소화포로 덮어 산소를 차단하여 서서히 화재를 진압하는 방법이 가장 효과적입니다.