납축전지

납축전지

12볼트 납축 자동차 배터리
비중에너지	35~40 Wh/kg[1]
에너지 밀도	80~90Wh/L[1]
비전력	180W/kg[2]
충방전 효율	50%–95%[3]
에너지/소비자가격	7()sld ~ 18()fld Wh/US$[4]
자가 방전율	3%–20%/월[5]
사이클 내구성	<350 사이클[6]
공칭 셀 전압	2.1V[7]
충전온도간격	최소 -35°C, 최대 45°C

납축전지는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테(Gaston Planté)에 의해 처음 발명된 충전식 배터리의 한 종류입니다. 그것은 지금까지 만들어진 첫 번째 종류의 충전식 배터리입니다. 현대의 충전식 배터리와 비교하여 납축 배터리는 에너지 밀도가 상대적으로 낮습니다. 그럼에도 불구하고 높은 서지 전류를 공급할 수 있습니다. 이러한 기능은 저렴한 비용과 함께 스타터 모터에 필요한 높은 전류를 제공하기 위해 모터 차량에 사용하기에 매력적입니다. 납축 배터리는 비교적 짧은 사이클 수명(보통 500회 미만)과 전체 수명(방전 상태의 "이중 황화"로 인해)은 물론, 충전 시간이 느리거나 길기 때문에 어려움을 겪습니다.

납축전지는 새로운 기술에 비해 가격이 저렴하기 때문에 서지 전류가 중요하지 않고 다른 설계가 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 경우에도 널리 사용됩니다. 1999년 납축 배터리 판매액은 전 세계(중국 및 러시아 제외)에서 판매된 배터리에서 차지하는 가치의 40~50%를 차지했으며, 이는 약 150억 달러의 제조 시장 가치에 해당합니다.^[8] 대용량 납-산 설계는 휴대폰 타워의 백업 전원 공급 장치, 병원과 같은 고가용성 비상 전원 시스템 및 독립형 전원 시스템에 저장하는 데 널리 사용됩니다. 이러한 역할을 위해 표준 셀의 수정된 버전을 사용하여 저장 시간을 개선하고 유지 보수 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 겔 셀과 흡수된 유리 매트 배터리는 이러한 역할에서 일반적이며, 이를 통칭하여 VRLA(밸브 조절 납-산) 배터리라고 합니다.

충전 상태에서 배터리의 화학 에너지는 음극 측의 금속 납과 양극 측의 PbO₂ 사이의 전위차에 저장됩니다.

역사

프랑스 과학자 니콜라스 고테로트는 1801년 전기 분해 실험에 사용되었던 전선들이 주 배터리가 분리된 후에 소량의 "2차" 전류를 제공한다는 것을 관찰했습니다.^[9] 1859년 가스통 플랑테의 납축전지는 이것을 통해 역전류를 통과시킴으로써 재충전될 수 있는 최초의 배터리였습니다. Planté의 첫 번째 모델은 고무 스트립으로 분리된 두 개의 리드 시트로 구성되어 나선형으로 말렸습니다.^[10] 그의 배터리는 처음에 기차역에 정차해 있는 동안 기차 객차의 조명에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다. 1881년 카밀 알퐁스 파우레는 산화납 페이스트를 눌러 판을 형성하는 납 격자로 구성된 개선된 버전을 발명했습니다. 이 디자인은 대량 생산이 더 쉬웠습니다. 납축전지의 초기 제조자는 헨리 튜더(Henri Tudor)였습니다.^{[citation needed]}

액체 대신 젤 전해질을 사용하면 배터리가 새지 않고 다른 위치에서 사용할 수 있습니다. 1920년대 후반에는 어떤 위치에서든 젤 전해질 배터리가 처음 사용되었으며, 1930년대에는 휴대용 여행 가방 라디오 세트를 통해 밸브 설계로 인해 셀을 수직 또는 수평으로 장착할 수 있게 되었습니다.^[11] 1970년대에는 밸브 조절식 납축 배터리(VRLA 또는 "밀봉")가 개발되었으며, 여기에는 현대식 흡수 유리 매트(AGM)가 포함되어 있어 어떤 위치에서도 작동할 수 있습니다.

납축 배터리가 실제로 작동하기 위해 상대성의 일부 측면을 사용하고 Ca-Sb 및 Sn-Bi와 같은 정도가 낮은 액체 금속 및 용융 염 배터리도 이러한 효과를 사용한다는 것이 2011년 초에 발견되었습니다.^[12][13]

전기화학

방전

방전된 상태에서는 양극판과 음극판이 모두 납(lead)이 됩니다.II) 황산염(PbSO
₄), 전해질은 용해된 황산의 대부분을 잃고 주로 물이 됩니다.

네거티브 플레이트 반응

Pb(s) + HSO⁻
₄(aq) → PbSO
₄(s) + H⁺
(aq) + 2e⁻

두 전도 전자의 방출은 리드 전극에 음전하를 줍니다.

전자가 축적되면 전기장을 만들어 수소 이온을 끌어당기고 황산 이온을 밀어내어 표면 근처에 이중층을 형성합니다. 수소 이온은 전하가 전극 밖으로 흘러나가도록 허용되지 않는 한 추가 반응을 제한하는 용액에서 전하가 충전된 전극을 선별합니다.

양성판 반응

PbO
₂(s) + HSO⁻
₄(aq) + 3H⁺
(aq) + 2e⁻ → PbSO
₄(s) + 2H
₂O(l)

PbO의
₂ 금속 전도성을 이용합니다.

총 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

Pb(s) + PbO(s) + 2HSO(aq) → 2PbSO(s) + ${\displaystyle {\mathrm{2HO}}_{}^{}}$(${\displaystyle l_{}^{}}$) ${\displaystyle \text{셀}{}_{}^{}}$∘ = 2$.05V$ {\$displaystyle$E_{cell}^{\circ} = 2.05{\$text{$V}}

PbSO로
₄ 전환된 Pb(s)의 몰당 방출되는 순 에너지는 약 400kJ이며, 이는 36g의 물이 생성되는 것에 해당합니다. 반응물의 분자량의 합은 642.6g/mole이므로 이론적으로 세포는 642.6g의 반응물로부터 2일간의 충전(192,971쿨롬)을 생성하거나 2볼트 셀의 경우 킬로그램당 83.4암페어 시간(12볼트 배터리의 경우 킬로그램당 13.9암페어 시간)을 생성할 수 있습니다. 이것은 반응물의 킬로그램당 167와트시에 이르지만, 실제로 납축전지는 물과 다른 구성 부품의 질량 때문에 킬로그램당 30-40와트시의 배터리를 제공합니다.

충전하는

완전히 충전된 상태에서 음극판은 납으로 구성되어 있고, 양극판은 이산화납입니다. 전해액은 화학 에너지의 대부분을 저장하는 황산 수용액의 농도가 더 높습니다.

충전 전압이 높은 과충전은 물의 전기 분해로 산소와 수소 가스가 발생하고, 이 가스가 거품을 내며 소실됩니다. 일부 유형의 납 축전지를 설계하면 전해질 수준을 검사하고 순수한 물로 보충하여 손실된 것을 교체할 수 있습니다.

전하량이 빙점에 미치는 영향

빙점 함몰로 인해 전지의 충전량이 낮고 그에 따라 황산 농도가 낮을 때 전해질이 추운 환경에서 동결될 가능성이 더 높습니다.

이온운동

방전 시 음극 플레이트에서 생성된 H는⁺
전해액으로 이동한 후 양극 플레이트에서 소비되고 HSO는⁻
₄ 양쪽 플레이트에서 소비됩니다. 충전 중에 반대 현상이 발생합니다. 이 운동은 전기적으로 구동되는 양성자 흐름 또는 그로투스 메커니즘, 또는 매체를 통한 확산, 또는 액체 전해질 매체의 흐름에 의해 이루어질 수 있습니다. 황산 농도가 높을수록 전해질 밀도가 높기 때문에 액체는 대류에 의해 순환하는 경향이 있습니다. 따라서 액체-매개 세포는 유사한 겔 세포보다 더 효율적으로 빠르게 방전되고 빠르게 충전되는 경향이 있습니다.

충전 레벨 측정

전해액이 충방전 반응에 참여하기 때문에 이 전지는 다른 화학 물질에 비해 한 가지 주요한 이점이 있습니다. 비교적 간단하게 전해질의 비중을 측정하여 충전 상태를 파악할 수 있고, 배터리가 방전됨에 따라 비중이 떨어집니다. 일부 배터리 설계에는 밀도가 다른 색상의 부유 볼을 사용하는 간단한 하이드로미터가 포함되어 있습니다. 디젤전기잠수함에서 사용할 때는 정기적으로 비중을 측정해 관제실 칠판에 적어 배가 얼마나 더 오랫동안 물에 잠길 수 있는지를 표시했습니다.^[14]

배터리의 개방 전압을 사용하여 충전 상태를 측정할 수도 있습니다.^[15] 개별 셀에 대한 연결이 가능한 경우 각 셀의 충전 상태를 확인할 수 있으며, 이를 통해 배터리 전체의 상태에 대한 지침을 제공할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 전체 배터리 전압을 평가할 수 있습니다.

일반적인 용도의 전압

IUoU 배터리 충전은 납축 배터리의 3단계 충전 절차입니다. 납축 배터리의 공칭 전압은 각 셀에 대해 2.2V입니다. 단일 셀의 경우, 전압은 최대 방전 시 1.8V부터 최대 충전 시 개방 회로에서 2.10V까지입니다.

플로팅 전압은 배터리 유형(즉, 침수된 셀, 겔화된 전해질, 흡수된 유리 매트)에 따라 다르며 1.8V에서 2.27V 사이입니다. 황산화된 셀의 경우 등화 전압 및 충전 전압은 2.67V에서 거의 3V^[16] 사이입니다(충전 전류가 흐를 때까지만).^[17][18] 주어진 배터리의 특정 값은 설계 및 제조업체 권장 사항에 따라 다르며, 일반적으로 기준 온도 20°C(68°F)에서 제공되므로 주변 조건을 조정해야 합니다. IEEE Standard 485-2020(1997년 처음 발표)은 고정식 애플리케이션에서 납축 배터리 크기를 조정하기 위한 업계 권장 관행입니다.

시공

접시들

납-산성 셀은 두 전극의 시트 리드 플레이트를 사용하여 시연할 수 있습니다. 그러나 이러한 구조는 대략 엽서 크기의 플레이트에 대해 약 1암페어, 단 몇 분 동안만 생산됩니다.

Gaston Planté는 훨씬 더 큰 유효 표면적을 제공하는 방법을 찾았습니다. 플랑테의 디자인에서, 양판과 음판은 천으로 분리되고 감겨져 있는 납박의 두 개의 나선으로 만들어졌습니다. 세포는 초기에 용량이 낮았기 때문에 납 호일을 부식시키기 위해서는 느린 "형성" 과정이 필요했고, 플레이트에 이산화납을 생성하고 표면적을 증가시키기 위해 거칠어졌습니다. 처음에 이 공정은 기본 배터리의 전기를 사용했습니다. 1870년 이후 발전기를 사용할 수 있게 되자 배터리 생산 비용이 크게 낮아졌습니다.^[8] Planté 플레이트는 여전히 일부 고정식 응용 분야에서 사용되며, 여기서 플레이트는 표면적을 증가시키기 위해 기계적으로 홈을 형성합니다.

1880년 카밀 알퐁스 포레는 납 그리드(현재의 전도체 역할을 하는)에 납 산화물, 황산 및 물의 페이스트를 코팅한 후 플레이트가 고습 환경에서 부드러운 열에 노출되는 경화 단계를 거치는 방법에 대한 특허를 받았습니다. 경화 공정은 페이스트를 납 플레이트에 부착된 납 황산염 혼합물로 변경했습니다. 그런 다음 배터리의 초기 충전("형성"이라고 함) 동안 플레이트의 경화 페이스트가 전기화학적 활성 물질("활성 질량")로 변환되었습니다. Faure의 공정은 납축 배터리를 제조하는 데 소요되는 시간과 비용을 크게 줄였고, Planté의 배터리에 비해 용량이 크게 증가했습니다.^[20] Faure의 방법은 페이스트 조성, 경화(여전히 스팀으로 수행되지만 현재는 매우 엄격하게 제어되는 공정), 페이스트가 도포되는 그리드의 구조 및 구성에 대한 점진적인 개선만 있을 뿐 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다.

파우레가 개발한 그리드는 직각의 연결봉을 가진 순수한 납이었습니다. 대조적으로, 현재의 그리드는 개선된 기계적 강도와 개선된 전류 흐름을 위해 구조화되어 있습니다. 다양한 그리드 패턴(이상적으로 플레이트의 모든 지점이 전원 도체와 동일한 거리에 있음) 외에도 현대 공정은 그리드 위에 한두 개의 얇은 섬유 유리 매트를 적용하여 무게를 보다 균일하게 분배합니다. Faure는 자신의 그리드에 순수 납을 사용했지만, 1년(1881년) 안에 납-안티모니(8-12%) 합금으로 대체되어 구조에 추가적인 강성을 부여했습니다. 그러나 안티몬이 높은 그리드는 수소 진화율이 높아지며(배터리가 노후화됨에 따라 가속화됨), 따라서 가스 배출이 증가하고 유지 보수 비용이 증가합니다. 이 문제들은 U.B.에 의해 확인되었습니다. 1930년대에 벨 연구소에서 토마스와 W.E. 해링은 마침내 1935년에 미국 전화망의 대기 전력 배터리를 위한 납-칼슘 그리드 합금의 개발로 이어졌습니다. 관련 연구는 몇 년 후 유럽에서 납-셀레늄 그리드 합금 개발로 이어졌습니다. 납-칼슘과 납-셀레늄 그리드 합금은 여전히 안티몬을 첨가하지만, 그 양은 기존의 고 안티몬 그리드보다 훨씬 적습니다: 납-칼슘 그리드는 4-6%의 안티몬을 가지고 있는 반면, 납-셀레늄 그리드는 1-2%의 안티몬을 가지고 있습니다. 이러한 야금적 개선은 그리드에 더 많은 강도를 제공하여 더 많은 무게, 즉 더 많은 활성 물질을 운반할 수 있게 해주고, 따라서 플레이트가 더 두꺼울 수 있으며, 이는 배터리를 사용할 수 없게 되기 전에 더 많은 물질을 흘릴 수 있기 때문에 배터리 수명에 기여합니다. 높은 안티몬 합금 그리드는 플레이트의 빈번한 팽창/수축을 보상해야 하지만 충전 전류가 낮게 유지되기 때문에 아웃개싱이 중요하지 않은 모터 시동 애플리케이션과 같은 빈번한 사이클링을 위한 배터리에 여전히 사용됩니다. 1950년대 이후로, 간헐적인 사이클링 애플리케이션(예: 대기 전력 배터리)을 위해 설계된 배터리에는 납-칼슘 또는 납-셀레늄 합금 그리드가 점점 증가하고 있습니다. 이는 수소 진화량이 적으므로 유지 보수 비용이 절감되기 때문입니다. 납-칼슘 합금 그리드는 제조 비용이 저렴하며(따라서 셀은 전방 비용이 저렴합니다), 자가 방전율이 낮고 물주기 요구 사항이 낮지만 전도성이 약간 떨어지고 기계적으로 더 약하며(따라서 보상하기 위해 안티몬이 더 필요합니다), 납-selen늄 합금 그리드가 있는 셀보다 부식(따라서 수명이 짧음)에 더 강하게 노출됩니다.

개방 회로 효과는 안티몬을 칼슘으로 대체했을 때 관찰된 배터리 사이클 수명의 극적인 손실입니다. 안티몬 프리 효과라고도 합니다.^[21]

현대적 접근법

현대 페이스트에는 카본 블랙, 블랑 픽세(황산바륨) 및 리그노설포네이트가 포함되어 있습니다. 블랑 픽세는 납 대 납 황산염 반응을 위한 종자 결정 역할을 합니다. 블랑 픽세가 효과적이기 위해서는 페이스트에 완전히 분산되어야 합니다. 리그노설포네이트는 방전 주기 동안 음극판이 단단한 덩어리를 형성하는 것을 방지하고 대신 긴 바늘 모양의 수지상체를 형성할 수 있게 합니다. 긴 결정은 더 많은 표면적을 가지며 충전 시 원래 상태로 쉽게 다시 전환됩니다. 카본블랙은 리그노설포네이트에 의한 생성 억제 효과를 상쇄시킵니다. 설폰화 나프탈렌 응축액 분산제는 리그노설폰산염보다 더 효과적인 팽창제이며 형성 속도를 높입니다. 이 분산제는 페이스트 내 황산바륨의 분산성을 향상시키고, 하이드로셋 시간을 단축시키며, 보다 파손에 강한 플레이트를 생성하고, 미세 납 입자를 감소시켜 취급 및 페이스트 특성을 향상시킵니다. 충전 종료 전압을 높여 배터리 수명을 연장합니다. 술폰화 나프탈렌은 리그노술폰산염의 약 1/3에서 1/2의 양이 필요하며 더 높은 온도에서도 안정적입니다.^[22]

일단 건조되면 플레이트를 적절한 분리막으로 쌓고 셀 용기에 삽입합니다. 그런 다음 대체 플레이트가 양극과 음극을 번갈아 가며 구성하고 셀 내에서 나중에 서로 병렬로 연결됩니다(음극에서 음극으로, 양극에서 양극으로). 분리기는 플레이트가 서로 접촉하는 것을 억제하여 단락 회로를 구성합니다. 침수 및 겔 셀에서 분리기는 절연 레일 또는 스터드이며, 이전에는 유리 또는 세라믹, 현재는 플라스틱입니다. AGM 셀에서 분리막은 유리 매트 자체이며 분리막이 있는 플레이트 랙은 셀에 삽입되기 전에 함께 압착됩니다. 셀에 들어가면 유리 매트가 약간 확장되어 플레이트가 제자리에 고정됩니다. 멀티 셀 배터리에서는 셀 벽을 통과하는 커넥터 또는 셀 벽을 넘는 다리를 통해 셀이 직렬로 서로 연결됩니다. 모든 셀 내 및 셀 간 연결은 그리드에 사용되는 것과 동일한 납 합금입니다. 갈바닉 부식을 방지하기 위해 필요합니다.

딥 사이클 배터리는 양극에 대한 기하학적 구조가 다릅니다. 양극은 평평한 판이 아니라 납-산화물 실린더 또는 나란히 늘어선 튜브의 줄이므로 이들의 기하학적 구조를 관형 또는 원통형이라고 합니다. 이는 전해액과 접촉하는 표면적이 증가하여 동일한 부피와 충전 깊이의 평판형 셀에 비해 방전 및 충전 전류가 높다는 장점이 있습니다. 튜브형 전극 셀은 평판형 셀보다 전력 밀도가 높습니다. 따라서 튜브형/원통형 기하학 플레이트는 지게차용 또는 해양 디젤 엔진 시동용과 같이 무게 또는 공간 제한이 있는 고전류 용도에 특히 적합합니다. 그러나 튜브/실린더는 동일한 부피에서 활성 물질이 적기 때문에 평판형 셀에 비해 에너지 밀도도 낮습니다. 또한 전극에서 활성 물질이 적다는 것은 세포가 사용할 수 없게 되기 전에 방출할 수 있는 물질이 적다는 것을 의미합니다. 튜브형/원통형 전극은 또한 균일하게 제조하기가 더 복잡하기 때문에 평판형 셀보다 더 비싸지는 경향이 있습니다. 이러한 절충은 튜브형/원통형 배터리가 더 큰 용량(따라서 더 큰) 평판 유닛을 설치할 공간이 부족한 상황에 의미가 있는 적용 범위를 제한합니다.

약 60 A·h 등급의 자동차형 납축전지 중량의 약 60%는 납 또는 납으로 이루어진 내부 부품이며, 그 균형은 전해액, 분리막 및 케이스입니다.^[8] 예를 들어, 일반적인 14.5kg(32lb) 배터리에는 약 8.7kg(19lb)의 납이 들어 있습니다.

구분자

이 섹션에서는 출처를 인용하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용을 추가하여 이 섹션을 개선하는 데 도움을 주세요. 출처가 없는 재료는 문제가 발생하여 제거될 수 있습니다. (2017년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기에 대해 알아봅니다)

양극판과 음극판 사이의 분리막은 주로 수지상 조직("treeing")을 통한 물리적 접촉뿐만 아니라 활성 물질의 배출을 통해 단락을 방지합니다. 분리기는 전기 화학 전지의 판 사이에서 이온의 흐름이 폐쇄 회로를 형성하도록 합니다. 목재, 고무, 유리 섬유 매트, 셀룰로오스, PVC 또는 폴리에틸렌 플라스틱을 사용하여 분리기를 만들었습니다. 원래 선택은 목재였는데 산성 전해질에서 변질이 됩니다.

효과적인 분리막은 투과성, 기공도, 기공크기 분포, 비표면적, 기계적 설계 및 강도, 전기저항, 이온전도도, 전해질과의 화학적 호환성 등 다양한 기계적 특성을 가져야 합니다. 사용 시 분리기는 산과 산화에 대한 내성이 좋아야 합니다. 분리판의 면적은 판 사이의 재료 단락을 방지하기 위해 판의 면적보다 조금 더 커야 합니다. 분리기는 배터리의 작동 온도 범위에서 안정적으로 유지되어야 합니다.

흡수성 유리매트(AGM)

이 섹션에서는 출처를 인용하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용을 추가하여 이 섹션을 개선하는 데 도움을 주세요. 출처가 없는 재료는 문제가 발생하여 제거될 수 있습니다. (2017년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기에 대해 알아봅니다)

흡수성 유리 매트(AGM) 설계에서는 플레이트 사이의 분리기를 전해액에 적신 유리 섬유 매트로 교체합니다. 매트에는 물기를 유지할 수 있을 정도의 전해질만 들어 있고, 배터리에 구멍이 나면 전해질이 매트 밖으로 흘러나오지 않습니다. 침수된 배터리에서 액체 전해질을 반포화 섬유 유리 매트로 대체하는 목적은 주로 분리막을 통한 가스 수송을 실질적으로 증가시키기 위한 것입니다. 과충전 또는 충전 중에 발생하는 수소 또는 산소 가스(충전 전류가 과도할 경우)는 유리 매트를 자유롭게 통과하여 환원 또는 산화될 수 있습니다. 각각 반대쪽 판 침수된 셀에서 가스의 기포는 배터리 상단으로 떠서 대기로 손실됩니다. 제조된 가스가 재결합하기 위한 이 메커니즘과 배터리 케이스의 물리적 천공 시 전해질의 실질적인 누출을 제공하지 않는 준포화 셀의 추가적인 이점은 배터리가 완전히 밀봉될 수 있도록 해주기 때문에 휴대용 장치 및 유사한 역할에 유용합니다. 또한 배터리를 어떤 방향으로든 장착할 수 있지만 거꾸로 장착할 경우 과압 환기구를 통해 산이 배출될 수 있습니다.

칼슘은 물 손실률을 줄이기 위해 플레이트와 합금화됩니다. 그러나 배터리가 깊이 충전되거나 급속 충전 또는 방전될 때 가스가 축적되는 문제가 여전히 발생합니다. 배터리 케이스의 과압을 방지하기 위해 AGM 배터리에는 일방향 블로우 오프 밸브가 포함되어 있으며, 종종 "밸브 조절 납-산"(VRLA) 설계로 알려져 있습니다.

AGM 설계의 또 다른 장점은 전해액이 분리막 재료가 되고, 기계적으로 강하다는 것입니다. 이를 통해 플레이트 스택을 배터리 쉘에서 함께 압축할 수 있어 액체 또는 젤 버전에 비해 에너지 밀도가 약간 증가합니다. AGM 배터리는 양극 플레이트의 팽창으로 인해 일반적인 직사각형 모양으로 제작될 때 쉘에 특징적인 "불룩"이 나타나는 경우가 많습니다.

매트는 또한 배터리 내 전해질의 수직 운동을 방지합니다. 일반적인 습식 전지를 방전된 상태로 보관할 경우, 무거운 산 분자가 전지 바닥으로 침강하여 전해질이 성층화되는 경향이 있습니다. 그런 다음 배터리를 사용하면 대부분의 전류가 이 부분에서만 흐르며 플레이트 바닥이 급격히 마모되는 경향이 있습니다. 이는 전통적인 자동차 배터리를 장기간 보관했다가 사용하고 재충전함으로써 망가질 수 있는 이유 중 하나입니다. 매트는 이러한 층화를 상당히 방지하여 배터리를 주기적으로 흔들거나 끓이거나 전해질을 혼합하기 위해 배터리를 통해 "균등화 전하"를 실행할 필요가 없습니다. 또한 성층화로 인해 배터리의 상층부가 거의 완전히 물이 되어 추운 날씨에 얼 수 있으며, AGM은 저온 사용으로 인해 손상되기 쉽습니다.

AGM 셀은 물주기를 허용하지 않지만(일반적으로 배터리에 구멍을 뚫지 않고는 물을 추가할 수 없습니다), 재조합 과정은 일반적인 화학 공정에 의해 근본적으로 제한됩니다. 수소 가스는 플라스틱 케이스 자체를 통해 확산될 것입니다. 일부에서는 AGM 배터리에 물을 추가하는 것이 이익이라는 것을 발견했지만, 배터리 전체에 확산을 통해 물이 섞이도록 하려면 이 작업을 천천히 수행해야 합니다. 납축전지가 물을 잃으면 산 농도가 높아져 판의 부식 속도가 크게 증가합니다. AGM 셀은 이미 수분 손실률을 낮추고 대기 전압을 높이기 위해 높은 산 함량을 가지고 있으며, 납-안티몬이 침수된 배터리에 비해 수명이 짧습니다. AGM 셀의 개방 회로 전압이 2.093V 또는 12V 배터리의 경우 12.56V보다 상당히 높을 경우, 침수된 셀보다 산 함량이 높습니다. AGM 배터리의 경우 정상적인 수준이지만, 장시간 사용하는 것은 바람직하지 않습니다.

의도적으로 또는 실수로 과충전된 AGM 셀은 손실된 물(및 산 농도 증가)에 따라 더 높은 개방 전압을 보여줍니다. 1암페어 시간의 과충전은 셀당 0.335그램의 물을 전기분해합니다. 이렇게 유리된 수소와 산소 중 일부는 재결합하지만, 전부는 아닙니다.

겔화 전해질

1970년대에 연구자들은 실리카 겔화제를 전해질에 혼합하는 밀봉 버전 또는 젤 배터리를 개발했습니다(1930년대 초 휴대용 라디오에 사용된 실리카 겔 기반 납축 배터리는 완전히 밀봉되지 않았습니다). 이를 통해 이전에 액체 상태였던 셀 내부를 반강성 페이스트로 변환하여 AGM과 동일한 이점을 제공합니다. 이러한 설계는 증발의 영향을 훨씬 덜 받기 때문에 주기적인 유지보수가 거의 또는 전혀 불가능한 상황에서 사용되는 경우가 많습니다. 또한 겔 셀은 기존 습식 셀과 AGM에 사용되는 액체 전해질보다 낮은 동결과 끓는점이 높아 극한의 조건에서 사용하기에 적합합니다.

젤 디자인의 유일한 단점은 젤이 전해질 내 이온의 빠른 움직임을 막아 캐리어 이동성을 감소시켜 전류 능력을 급증시킨다는 것입니다. 이러한 이유로 젤 셀은 오프 그리드 시스템과 같은 에너지 저장 응용 분야에서 가장 일반적으로 발견됩니다.

"유지관리 프리", "봉인", "VRLA" (밸브 규제 납산)

젤과 AGM 디자인은 모두 밀봉되어 있고 물을 줄 필요가 없으며 어떤 방향으로도 사용할 수 있으며 가스 블로우 오프를 위한 밸브를 사용합니다. 이러한 이유로 두 디자인 모두 유지보수가 없는, 밀봉된, VRLA라고 할 수 있습니다. 그러나 이러한 용어가 특히 이러한 설계 중 하나 또는 다른 설계를 지칭한다고 명시된 리소스를 찾는 것은 매우 일반적입니다.

밸브 조절식 납-산(VRLA) 배터리에서, 세포에서 생성된 수소와 산소는 주로 물로 재결합합니다. 누출은 최소화되지만 일부 전해질은 재결합이 가스 진화를 따라가지 못하면 여전히 빠져나갑니다. VRLA 배터리는 전해질 수준을 정기적으로 확인할 필요가 없기 때문에 (그리고 불가능하게) 유지 보수용 배터리라고 불렸습니다. 그러나 이것은 다소 잘못된 이름입니다. VRLA 셀은 유지 관리가 필요합니다. 전해질이 손실됨에 따라 VRLA 셀이 "건조"되어 용량이 손실됩니다. 이는 정기적인 내부 저항, 컨덕턴스 또는 임피던스 측정을 통해 감지할 수 있습니다. 정기적인 테스트는 더 많은 관련된 테스트와 유지보수가 필요한지 여부를 보여줍니다. 최근의 유지보수 절차는 "재수화"를 가능하게 하며, 종종 상당한 양의 손실된 용량을 복구할 수 있도록 개발되었습니다.

VRLA 타입은 1983년경 오토바이에서 인기를 끌었는데,^[23] 산 전해질이 분리막에 흡수되어 유출될 수 없기 때문입니다.^[24] 또한 분리기는 진동에 더 잘 견딜 수 있도록 도와줍니다. 설치 공간이 작고 설치가 유연하기 때문에 통신 사이트와 같은 고정식 애플리케이션에서도 인기가 있습니다.^[25]

적용들

전 세계 납축 배터리의 대부분은 자동차 시동, 조명 및 점화(SLI) 배터리이며, 1999년에 약 3억 2천만 대가 출하된 것으로 추정됩니다.^[8] 1992년에는 약 300만 톤의 납이 배터리 제조에 사용되었습니다.

심층 방전을 위해 설계된 습식 셀 대기(정지형) 배터리는 일반적으로 전화 및 컴퓨터 센터, 그리드 에너지 저장 및 오프 그리드 가정용 전력 시스템을 위한 대형 백업 전원 공급 장치에 사용됩니다.^[26] 납축 배터리는 비상 조명 및 정전 시 섬프 펌프 전원 공급에 사용됩니다.

트랙션(추진) 배터리는 골프 카트 및 기타 배터리 전기 자동차에 사용됩니다. 대형 납축전지는 잠수 시 디젤-전기(종래식) 잠수함의 전기 모터에 동력을 공급하기 위해 사용되며, 핵잠수함의 비상 전력으로도 사용됩니다. 밸브 조절 납축 배터리는 전해액을 흘릴 수 없습니다. 경보 및 소형 컴퓨터 시스템(특히 무정전 전원 공급 장치, UPS)을 위한 백업 전원 공급 장치와 전기 스쿠터, 전동 휠체어, 전기 자전거, 해양 애플리케이션, 배터리 전기 자동차 또는 마이크로 하이브리드 차량 및 오토바이에 사용됩니다. 많은 전기 지게차는 중량이 균형추의 일부로 사용되는 납축 배터리를 사용합니다. 초기 진공관(밸브) 라디오 수신기에서 일반적으로 2V인 필라멘트(히터) 전압을 공급하기 위해 납축 배터리가 사용되었습니다.

광부용 캡 램프 헤드램프용 휴대용 배터리는 일반적으로 2개 또는 3개의 셀이 있습니다.^[27]

사이클

배터리 시동 중

자동차 엔진 시동용으로 설계된 납축 배터리는 심방전용으로 설계되지 않았습니다. 최대 표면적, 따라서 최대 전류 출력을 위해 설계된 박판이 많이 있어 깊은 방전으로 쉽게 손상될 수 있습니다. 반복적인 깊은 방전은 용량 손실을 초래하고, 사이클링으로 인해 발생하는 기계적 스트레스로 인해 전극이 붕괴되기 때문에 궁극적으로 조기 고장을 초래합니다. 연속 플로팅 충전 상태에서 배터리를 시동하면 전극이 부식되어 조기에 고장이 발생합니다. 따라서 황산화를 방지하기 위해 시동 배터리를 개방된 상태로 유지하되 정기적으로(2주에 한 번 이상) 충전해야 합니다.

시동 배터리는 얇고 가벼운 셀 플레이트가 배터리 케이스 하단까지 쭉 뻗어 있지 않기 때문에 동일한 크기의 딥 사이클 배터리보다 무게가 가볍습니다. 이렇게 하면 분해된 느슨한 물질이 플레이트에서 떨어져 나와 셀 하단에 모여 배터리의 사용 수명을 연장할 수 있습니다. 이 느슨한 파편이 충분히 상승하면 플레이트 바닥에 닿아 셀이 고장나 배터리 전압과 용량이 손실될 수 있습니다.

딥사이클 배터리

특수 설계된 딥 사이클 셀은 사이클링으로 인한 열화에 훨씬 덜 취약하며, 태양광 시스템, 전기 자동차(포크리프트, 골프 카트, 전기 자동차 등) 및 무정전 전원 공급 장치와 같이 배터리가 정기적으로 방전되는 용도에 필요합니다. 이 배터리는 더 두꺼운 판으로 피크 전류를 덜 전달할 수 있지만 잦은 방전을 견딜 수 있습니다.^[28]

일부 배터리는 스타터(고전류)와 딥 사이클 사이의 절충안으로 설계되었습니다. 자동차 배터리보다 더 높은 정도로 방전할 수 있지만 딥 사이클 배터리보다는 덜 방전됩니다. "해양/모터홈" 배터리 또는 "레저 배터리"라고 할 수 있습니다.

빠르고 느린 충전 및 방전

납축 배터리의 용량은 고정된 양이 아니라 방전 속도에 따라 달라집니다. 방전율과 용량 사이의 경험적 관계는 Peukert의 법칙으로 알려져 있습니다.

배터리가 충전 또는 방전될 때, 초기에는 전극과 전해질 사이의 계면에 있는 반응성 화학 물질만이 영향을 받습니다. 시간이 지남에 따라 계면의 화학 물질에 저장된 전하(흔히 "계면 전하" 또는 "표면 전하"라고 함)는 활성 물질의 부피 전체에 이러한 화학 물질이 확산되어 퍼집니다.

배터리가 완전히 방전된 경우(예: 차량 조명을 밤새 켜둔 상태에서 발생하는 경우, 전류가 약 6A)를 고려합니다. 몇 분 동안만 급속 충전을 하면 배터리 플레이트는 플레이트와 전해질 사이의 계면 근처에서만 충전됩니다. 이 경우 배터리 전압이 충전기 전압에 가까운 값으로 상승할 수 있으므로 충전 전류가 크게 감소합니다. 몇 시간이 지나면 이 인터페이스 전하가 전극과 전해질의 부피로 퍼집니다. 이로 인해 인터페이스 전하가 너무 낮아져 시동을 걸기에 부족할 수 있습니다.^[29] 충전 전압이 가스 전압(정상 납축 배터리의 경우 약 14.4V) 미만으로 유지되는 한 배터리가 손상될 가능성은 거의 없으며, 배터리가 정상적으로 충전된 상태로 복귀해야 합니다.

황화 및 탈황

이 섹션은 검증을 위해 추가 인용이 필요합니다. 이 섹션의 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 없는 재료는 문제가 발생하여 제거될 수 있습니다. (2013년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기에 대해 알아보기)

납축전지는 황산납의 결정화인 황화에 의해 너무 오래 방전되면 전하를 받아들이는 능력을 잃게 됩니다.^[30] 이중 황산염 화학 반응을 통해 전기를 생산합니다. 전지판의 활성 물질인 납과 이산화납은 전해질의 황산과 반응하여 황산납을 형성합니다. 황산납은 먼저 미세하게 분할된 비정질 상태로 형성되며 배터리가 충전되면 쉽게 납, 이산화납, 황산으로 되돌아갑니다. 배터리가 수많은 방전과 충전을 통해 순환하면서 일부 황산납은 전해질로 재결합하지 않고 충전 시 더 이상 용해되지 않는 안정적인 결정 형태로 서서히 변환됩니다. 따라서 납이 모두 배터리 판으로 되돌아가지는 않으며, 전기 생산에 필요한 사용 가능한 활성 물질의 양은 시간이 지남에 따라 감소합니다.

황화는 납-산 배터리가 정상 작동 중에 충분한 충전을 받지 못할 때 발생합니다. 충전을 방해합니다. 결국 황산염 침전물이 팽창하여 플레이트가 깨지고 배터리가 파괴됩니다. 결국 배터리 판 면적의 많은 부분이 전류를 공급할 수 없게 되어 배터리 용량이 크게 줄어듭니다. 또한, (황산납의) 황산 부분은 황산으로서 전해질에 반환되지 않습니다. 큰 결정체는 전해질이 판의 기공으로 들어가는 것을 물리적으로 차단하는 것으로 여겨집니다. 케이스가 선명한 배터리 또는 배터리를 해체한 후 플레이트에 흰색 코팅이 나타날 수 있습니다. 황산화된 배터리는 높은 내부 저항을 보이며, 일반 방전 전류의 극히 일부만을 전달할 수 있습니다. 황화는 충전 주기에도 영향을 미쳐 충전 시간이 길어지고, 효율이 떨어지며 불완전한 충전, 배터리 온도가 높아집니다.

SLI 배터리(시동, 조명, 점화, 자동차 배터리 등)는 차량이 비교적 오랜 시간 동안 사용되지 않은 상태로 있기 때문에 가장 열화가 심합니다. 딥 사이클 및 동력 배터리는 정기적으로 제어되는 과충전을 받으며, 결국 황화가 아닌 양극 플레이트 그리드의 부식으로 인해 고장이 발생합니다.

방전 사이클 직후 배터리가 완전히 충전되면 황산화를 피할 수 있습니다.^[31] 황산화를 역전시키는 방법은 알려진 바가 없습니다.^[8][32] 펄스 충전과 같은 다양한 기술을 통해 탈황을 달성한다고 주장하는 상용 제품들이 있지만, 이들의 주장을 검증하는 동료 검토 출판물은 없습니다. 황화 방지는 납축 배터리를 주기적으로 완전히 충전함으로써 최상의 방법으로 유지됩니다.

층화

일반적인 납축 배터리에는 다양한 농도의 물과 산이 혼합된 혼합물이 포함되어 있습니다. 황산은 물보다 밀도가 높아 충전 시 판에 형성된 산이 아래쪽으로 흘러가 배터리 하단에 모이게 됩니다. 결국 혼합물은 다시 확산에 의해 균일한 조성에 도달할 것이지만, 이것은 매우 느린 과정입니다. 부분적인 충전과 방전의 반복적인 사이클은 전해질의 층화를 증가시켜 상부에 산이 부족하면 플레이트 활성화를 제한하기 때문에 배터리의 용량과 성능을 감소시킵니다. 층화는 또한 판의 상단 절반의 부식과 하단의 황화를 촉진합니다.^[33]

주기적인 과충전은 플레이트에 가스 반응 생성물을 생성하여 대류 전류를 발생시켜 전해질을 혼합하고 성층화를 해결합니다. 전해질의 기계적 교반도 동일한 효과를 가질 것입니다. 이동 중인 차량의 배터리는 차량이 가속, 브레이크, 회전함에 따라 셀에서 미끄러지고 튀는 현상을 겪기도 합니다.

폭발위험

과도한 충전은 전기분해를 일으켜 수소와 산소를 방출합니다. 이 과정을 "가스"라고 합니다. 습식 셀에는 생성된 가스를 방출할 수 있는 개방형 통풍구가 있으며 VRLA 배터리는 각 셀에 장착된 밸브에 의존합니다. 침수된 세포가 수소와 산소를 재결합할 수 있도록 촉매 캡을 사용할 수 있습니다. VRLA 셀은 일반적으로 셀 내부에서 생성된 수소와 산소를 재결합하지만 오작동이나 과열로 인해 가스가 축적될 수 있습니다. 이러한 현상이 발생할 경우(예: 과충전 시) 밸브가 가스를 배출하고 압력을 정상화하여 특징적인 산성 냄새를 발생시킵니다. 하지만 오물과 찌꺼기가 쌓이면서 압력이 쌓이는 등 밸브가 고장날 수 있습니다.

축적된 수소와 산소가 내부 폭발로 점화되는 경우도 있습니다. 폭발의 힘으로 배터리 케이스가 터지거나 상단이 날아가 산과 케이스 파편을 뿌릴 수 있습니다. 한 셀에서 폭발이 발생하면 나머지 셀에 있는 가연성 가스 혼합물에 불이 붙을 수 있습니다. 마찬가지로 환기가 잘 되지 않는 지역에서는 배터리 단자에 폐쇄된 회로(예: 부하 또는 충전기)를 연결하거나 분리하면 배터리에서 가스가 배출될 경우 불꽃이 튀거나 폭발할 수 있습니다.

배터리 내의 개별 셀이 단락되어 폭발을 일으킬 수도 있습니다.

VRLA 배터리의 셀은 일반적으로 내부 압력이 상승하면 팽창하므로 사용자와 정비사에게 경고를 보냅니다. 변형은 세포마다 다르며 벽이 다른 세포에 의해 지지되지 않는 끝 부분에서 가장 큽니다. 이러한 과압 배터리는 조심스럽게 분리하여 폐기해야 합니다. 폭발 위험이 있는 배터리 근처에서 작업하는 작업자는 얼굴 가리개, 멜빵, 장갑 등을 착용하여 산과 화재로 인한 화상으로부터 눈과 노출된 피부를 보호해야 합니다. 얼굴 가리개 대신 고글을 사용하면 얼굴이 날아갈 수 있는 산, 케이스 또는 배터리 파편, 잠재적인 폭발로 인한 열에 노출되어 안전이 희생됩니다.

환경

환경문제

미시간주 앤아버의 환경보호와 생태센터가 2003년 발표한 "Getting the Lead Out"이라는 제목의 보고서에 따르면, 도로 위에 있는 차량의 배터리에는 약 2,600,000 미터 톤의 납이 포함되어 있다고 합니다. 일부 납 화합물은 독성이 매우 강합니다. 이러한 화합물에 장기간 노출되면 어린이의 뇌와 신장 손상, 청력 장애 및 학습 문제가 발생할 수 있습니다.^[34] 자동차 산업은 매년 1,000,000 미터톤 이상의 납을 사용하고 있으며, 90%는 기존의 납 축전지에 사용됩니다. 납 재활용은 잘 확립된 산업이지만, 매년 40,000 미터 톤 이상의 (길이 39,000 톤, 길이 44,000 쇼트 톤)이 매립지에 버려집니다. 연방 독성 방출 인벤토리에 따르면 납 채굴 및 제조 공정에서 또 다른 70,000 미터톤(길이 69,000톤, 길이 77,000톤)이 방출됩니다.^[35]

부적절한 폐기와 납 제련 작업으로 인한 환경적 결과에 대한 우려로 인해 대안(특히 자동차용)을 개발하려는 시도가 이루어지고 있습니다. 배터리는 무겁기는 하지만 가격이 저렴하기 때문에 엔진 시동이나 백업 전력 시스템과 같은 용도에서는 대체할 수 없을 것입니다.

재활용

업계 단체인 배터리 위원회(Battery Council)에 따르면 납축 배터리 재활용은 세계에서 가장 성공적인 재활용 프로그램 중 하나라고 합니다. 미국에서는 2014년에서 2018년 사이에 전체 배터리 납의 99%가 재활용되었습니다.^{[36][dubious – discuss][better source needed]} 그러나 1982년 이후 미국 환경 보호국의 문서에 따르면 비율은 60%에서 95%^[37][38] 사이로 다양하게 나타났습니다.

납은 인간에게 매우 독성이 강하며, 그것을 재활용하면 사람들의 오염과 오염을 초래하여 수많은 지속적인 건강 문제를 초래할 수 있습니다.^[39][40] 한 순위는 납-산 배터리 재활용이 세계에서 가장 치명적인 산업 프로세스로, 장애 조정 수명 손실로 인해 전 세계적으로 약 2,000,000년에서 4,800,000년의 개인 수명 손실이 발생한다고 보고 있습니다.^[41]

납축 배터리 재활용 사업장 자체가 납 오염의 원인이 되었고, 1992년까지 EPA는 슈퍼펀드 정화를 위해 29개 사업장을 선정했으며, 국가 우선 순위 목록에 22개 사업장이 포함되었습니다.^[38]

효과적인 오염 관리 시스템은 납 배출을 방지하기 위한 필수 사항입니다. 납 제련소의 배출 기준에 발맞추기 위해서는 배터리 재활용 공장과 용광로 설계의 지속적인 개선이 요구됩니다.

첨가물

화학 첨가제는 납축 배터리가 상업적 품목이 된 이후부터 사용되어 왔으며, 이는 판에 황산납이 쌓이는 것을 줄이고 통풍이 되는 납축 배터리의 전해질에 첨가할 때 배터리 상태를 개선하기 위한 것입니다. 그러한 치료는 거의 효과적이지 않습니다.^[42]

그러한 목적으로 사용되는 두 가지 화합물은 Epsom salt와 EDTA입니다. 엡솜 염은 약하거나 손상된 배터리의 내부 저항을 감소시키고 소량의 수명을 연장할 수 있습니다. EDTA는 많이 배출된 플레이트의 황산염 침전물을 용해하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 용해된 물질은 더 이상 정상적인 충방전 사이클에 참여할 수 없으므로 EDTA로 일시적으로 부활한 배터리는 수명이 단축됩니다. 납-산 셀의 잔류 EDTA는 유기산을 형성하여 납 플레이트와 내부 커넥터의 부식을 가속화합니다.

활물질은 충방전 과정에서 물리적 형태를 변화시켜 전극의 성장과 왜곡, 전극의 이탈을 초래하고 전해질로 방출됩니다. 활성 물질이 판 밖으로 떨어진 후에는 어떤 화학적 처리로도 제자리를 찾을 수 없습니다. 마찬가지로 금이 간 판, 커넥터 부식 또는 분리막 손상과 같은 내부 물리적 문제도 화학적으로 복구할 수 없습니다.

부식문제

납축 배터리의 외부 금속 부품은 배터리 단자, 플러그 및 커넥터의 화학 반응에 의해 부식됩니다.

양극 단자의 부식은 전지 단자와 케이블 커넥터의 제조에 사용되는 금속 합금의 불일치로 인해 전기 분해로 인해 발생합니다. 백색 부식은 일반적으로 납 또는 황산아연 결정입니다. 알루미늄 커넥터는 황산 알루미늄으로 부식됩니다. 구리 커넥터는 파란색과 흰색 부식 결정을 생성합니다. 배터리 단자의 부식은 해당 용도로 만들어진 석유 젤리 또는 시판되는 제품으로 단자를 코팅함으로써 줄일 수 있습니다.^[43]

배터리가 물과 전해질로 가득 차면 열 팽창으로 인해 일부 액체가 배터리 통풍구에서 배터리 상단으로 강제로 배출될 수 있습니다. 이 용액은 배터리 커넥터의 납 및 기타 금속과 반응하여 부식을 일으킬 수 있습니다.

전해액은 배터리 단자가 플라스틱 케이스를 관통하는 플라스틱-리드 씰에서 스며들 수 있습니다.

통풍구 캡을 통해 기화되는 산성 매연은 종종 과충전으로 인해 발생하며 배터리 박스 환기가 부족하면 황산 매연이 쌓여 노출된 금속과 반응할 수 있습니다.

참고 항목

참고문헌

외부 링크

일반

• magnalabs.com , 배터리 플레이트 황산화
• reuk.co.uk , 배터리 탈황
• reuk.co.uk , 납산 배터리
• cbcdesign.co.uk , DC 공급(2002년 4월)
• comcast.net , 납산 배터리에 대한 약간의 기술적인 세부사항

• 납축전지 제조업체 무역조직 btterycouncil.org (BCI).
• batteryfaq.org , 자동차 및 딥 사이클 배터리 FAQ
• atsdr.cdc.gov , 납(Pb) 독성: 주요 개념 ATSDR - 환경 의학 및 환경 보건 교육 - CSEM(환경 의학)의 사례 연구, 독성 물질 및 질병 등록 기관
• alton-moore.net , 납축전지 탈황기 (가정용전원 #77 2000년 6월/7월)]