니켈-카드뮴 전지

니켈-카드뮴 전지

위에서 아래로: "검스틱", AA 및 AAA Ni-Cd 배터리
비중에너지	40~60W·h/kg
에너지 밀도	50~150W·h/L
비전력	150W/kg
충방전 효율	70–90%[1]
자가 방전율	10%/월
사이클 내구성	2천 사이클
공칭 셀 전압	1.2V

니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd 전지 또는 NiCad 전지)는 니켈 산화물 수산화물과 금속 카드뮴을 전극으로 사용하는 충전식 전지의 일종입니다. 약칭 Ni-Cd는 니켈(Ni)과 카드뮴(Cd)의 화학 기호에서 유래했습니다. 약칭 NiCad는 SAFT Corporation의 등록 상표이지만, 이 브랜드 이름은 일반적으로 모든 Ni-Cd 배터리를 설명하는 데 사용됩니다.

습식 전지 니켈 카드뮴 전지는 1899년에 발명되었습니다. Ni-Cd 배터리는 방전 중 단자 전압이 약 1.2V로 방전이 거의 끝날 때까지 거의 감소하지 않습니다. Ni-Cd 전지가 제공하는 최대 기전력은 1.3 V입니다. Ni-Cd 전지는 탄소-아연 건조 전지와 교환할 수 있는 휴대용 밀폐형부터 대기 전력과 동력에 사용되는 대형 환기 전지에 이르기까지 다양한 크기와 용량으로 만들어집니다. 다른 유형의 충전 셀과 비교할 때, 충전 셀은 낮은 온도에서 공정한 용량으로 우수한 사이클 수명과 성능을 제공하지만, 높은 방전 속도(1시간 이내에 방전)로 거의 모든 정격 용량을 제공할 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 그러나 소재는 납축 배터리보다 비용이 많이 들고 셀의 자가 방전율이 높습니다.

밀봉된 Ni-Cd 셀은 한때 휴대용 전원 도구, 사진 장비, 손전등, 비상 조명, 취미용 RC 및 휴대용 전자 장치에 널리 사용되었습니다. 니켈-금속 하이드라이드 배터리의 우수한 용량과 최근의 낮은 비용은 Ni-Cd 사용을 대체했습니다. 게다가, 유독성 금속 카드뮴 폐기의 환경적 영향은 그들의 사용 감소에 상당한 기여를 했습니다. 유럽 연합 내에서 Ni-Cd 배터리는 이제 교체용 또는 의료 기기와 같은 특정 유형의 새 장비로만 공급할 수 있습니다.^[2]

더 큰 환기형 습식 셀 Ni-Cd 배터리는 비상 조명, 대기 전력, 무정전 전원 공급 장치 및 기타 애플리케이션에 사용됩니다.

역사

최초의 Ni-Cd 배터리는 1899년 스웨덴의 Waldemar Jungner에 의해 만들어졌습니다. 당시 직접적인 경쟁자는 납축전지뿐이었고, 이는 물리적, 화학적으로 덜 견고했습니다. 첫 번째 프로토타입에 약간의 개선이 이루어지면서 에너지 밀도는 기본 배터리의 절반 정도로 급격히 증가했으며 납축 배터리보다 훨씬 더 커졌습니다. 융너는 다양한 양의 카드뮴을 철으로 대체하는 실험을 했지만 철의 제형이 부족하다는 것을 발견했습니다. 정너의 작품은 미국에서는 거의 알려지지 않았습니다. 토마스 에디슨은 1902년에 니켈-철 배터리에 대한 특허를 냈고,^[3] 융너가 니켈-철 배터리를 만든 지 2년 후에 미국에 소개하면서 배터리 디자인을 적용했습니다. 1906년, 융너는 침수된 디자인의 Ni-Cd 배터리를 생산하기 위해 스웨덴의 오스카르샴 근처에 공장을 설립했습니다.

1932년에는 다공성 니켈 도금 전극 내부에 활성 물질을 증착하고 15년 후 밀봉된 니켈-카드뮴 전지에 대한 작업을 시작했습니다.

미국에서의 첫 생산은 1946년에 시작되었습니다. 지금까지 배터리는 니켈과 카드뮴 활성 물질을 함유한 니켈 도금 강철 주머니로 구성된 "포켓형"이었습니다. 20세기 중반 경 소결판 Ni-Cd 배터리는 점점 대중화되었습니다. 니켈 분말을 높은 압력을 사용하여 용융점보다 훨씬 낮은 온도에서 융합하면 소결판이 만들어집니다. 이렇게 형성된 플레이트는 부피 기준으로 약 80% 정도로 다공성이 높습니다. 양판과 음판은 니켈과 카드뮴 활성 물질에 니켈 판을 각각 담가서 만들어집니다. 소결판은 일반적으로 포켓형보다 훨씬 얇기 때문에 부피당 표면적이 커지고 전류가 증가합니다. 일반적으로 배터리의 반응성 물질 표면적이 많을수록 내부 저항이 줄어듭니다.

2000년대부터 모든 소비자용 Ni-Cd 배터리는 젤리-롤 구성을 사용합니다.^{[citation needed]}

특성.

Ni-Cd 배터리의 최대 방전 속도는 크기에 따라 다릅니다. 일반적인 AA 크기의 전지의 경우 최대 방전 속도는 약 1.8 암페어이며, D 크기의 전지의 경우 방전 속도는 3.5 암페어까지 높아질 수 있습니다.^{[citation needed]}

모형 항공기나 보트 제작자는 메인 모터를 구동하는 데 사용되는 특수 제작된 Ni-Cd 배터리에서 최대 100 암페어 정도의 훨씬 큰 전류를 얻는 경우가 많습니다. 5-6분의 모델 작동은 매우 작은 배터리에서도 쉽게 달성할 수 있기 때문에 내연 모터와 비교할 수 있을 정도로 상대적으로 높은 출력을 달성할 수 있으며, 이는 짧은 기간이지만 가능합니다. 그러나 이 경우에는 리튬 폴리머(LiPo)와 리튬 인산철(LiFe) 배터리로 대체되어 더욱 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있습니다.

전압

Ni-Cd 셀의 공칭 셀 전위는 1.2V(V)입니다. 이는 알칼리성 및 아연-탄소 1차 전지의 1.5 V보다 낮으며, 결과적으로 모든 응용 분야에서 대체품으로 적합하지 않습니다. 그러나 1차 알칼리 전지의 1.5 V는 평균 전압이 아닌 초기 전압을 의미합니다. Ni-Cd 셀의 말단 전압은 알칼리성 및 아연-탄소 1차 전지와 달리 방전될 때 약간의 변화만 있을 뿐입니다. 많은 전자 장치가 셀당 0.90~1.0V까지 방전될 수 있는 기본 셀을 사용하도록 설계되었기 때문에 Ni-Cd 셀의 비교적 안정적인 1.2V는 작동을 허용하기에 충분합니다. 어떤 사람들은 배터리 충전량이 낮을 때 감지하기 어렵기 때문에 거의 일정한 전압을 단점으로 생각합니다.

9V 배터리를 교체하는 데 사용되는 Ni-Cd 배터리는 일반적으로 단자 전압이 7.2V인 6개의 셀만 있습니다. 대부분의 포켓 라디오는 이 전압에서 만족스럽게 작동하지만, Varta와 같은 일부 제조업체는 더 중요한 용도를 위해 7개의 셀로 8.4V 배터리를 만들었습니다.

충전하는

Ni-Cd 배터리는 셀 제조 방법에 따라 여러 가지 다른 속도로 충전할 수 있습니다. 충전 속도는 충전 기간 동안 배터리가 정전류로 공급되는 암페어 용량의 백분율을 기반으로 측정됩니다. 충전 속도에 관계없이 충전 중 에너지 손실을 설명하기 위해 실제 용량보다 더 많은 에너지를 배터리에 공급해야 하며 더 빠른 충전이 더 효율적입니다. 예를 들어, "밤샘" 충전은 14~16시간 동안 암페어시 정격(C/10)의 10분의 1에 해당하는 전류를 공급하는 것으로 구성될 수 있습니다. 즉, 100mAh 배터리는 14시간 동안 10mA, 이 속도로 충전하는 데 총 140mAh가 소요됩니다. 급속 충전 속도에서는 배터리의 정격 용량의 100%로 1시간(1C) 동안 배터리가 충전량의 약 80%를 유지하므로 100 mAh 배터리를 충전하는 데 125 mAh(약 1시간 15분)가 소요됩니다. 일부 특수 배터리는 4C 또는 6C 충전 속도로 10~15분 정도면 충전할 수 있지만, 이는 매우 드문 일입니다. 또한 셀의 온도 상승 속도는 내부 저항과 충전 속도의 제곱에 의해 결정된다는 내부 과압 상태로 인해 셀이 과열되고 통풍될 위험이 크게 증가합니다. 4C 속도에서 셀에서 발생하는 열의 양은 1C 속도에서 발생하는 열보다 6배 더 높습니다. 급속 충전의 단점은 과충전의 위험성이 높아 배터리를 손상시킬 수 있다는 것입니다. 그리고 셀이 견뎌야 하는 온도의 증가는 수명을 단축시킬 가능성이 있습니다.

사용 시 안전한 온도 범위는 -20°C에서 45°C 사이입니다. 충전 중에 배터리 온도는 일반적으로 주변 온도와 거의 같은 낮은 온도로 유지되지만(충전 반응이 에너지를 흡수함), 배터리가 완전 충전에 가까워지면 온도는 45~50°C까지 상승합니다. 일부 배터리 충전기는 이러한 온도 상승을 감지하여 충전을 차단하고 과충전을 방지합니다.

Ni-Cd 배터리는 부하 또는 충전 상태가 아닐 때 20°C에서 한 달에 약 10%, 더 높은 온도에서 한 달에 최대 20%까지 자가 방전됩니다. 참고; 2022년, 앞 문장은 NiCad가 도입되었을 때 그리고 심지어 50년 전에도 분명히 사실이었습니다. 그러나 약 40년 전부터 지속적인 개선을 통해 매달 5%씩 개선되고 있으며, 현재 NiCad 배터리의 자가 방전량은 매월 1% 또는 2% 정도로 상당히 낮습니다. 방전 속도를 상쇄할 정도로 충분히 높은 전류 수준에서 트리클 충전을 수행할 수 있습니다. 즉, 배터리가 완전히 충전된 상태를 유지할 수 있습니다. 그러나 배터리를 장기간 사용하지 않고 보관할 경우 용량의 최대 40%까지 방전해야 합니다(일부 제조업체에서는 완전히 방전하고 일단 완전히 방전되면^{[citation needed]} 단락하는 것이 좋습니다). 서늘하고 건조한 환경에서 보관해야 합니다.

과충전

밀봉된 Ni-Cd 전지는 물로 재결합할 수 있을 때까지 산소와 수소 가스를 포함하도록 되어 있는 압력 용기로 구성되어 있습니다. 이러한 발전은 일반적으로 급속 충전 및 방전 중에 발생하며, 과충전 상태에서 발생합니다. 압력이 안전밸브의 한계를 넘으면 가스 형태의 물이 손실됩니다. 용기에 정확한 양의 전해질이 포함되도록 설계되었기 때문에 이러한 손실은 셀의 용량과 전류를 수신하고 전달하는 능력에 급격한 영향을 미칩니다. 과충전의 모든 조건을 감지하려면 충전 회로의 엄청난 정교함이 필요하며 저렴한 충전기는 결국 최고 품질의 셀을 손상시킵니다.^[4]

전기화학

완전히 충전된 Ni-Cd 셀에는 다음이 포함됩니다.

• 니켈(III) 산화-수산화물 양극 극판
• 카드뮴 음극 극판
• 분리기, 그리고
• 알칼리 전해질(수산화potassium)

Ni-Cd 배터리는 일반적으로 자체 밀봉 안전 밸브가 장착된 밀봉판이 있는 금속 케이스를 가지고 있습니다. 분리막에 의해 서로 격리된 양극 및 음극 극판은 케이스 내부에서 나선형으로 말려져 있습니다. 이것은 젤리-롤 디자인으로 알려져 있으며 Ni-Cd 셀이 동등한 크기의 알칼리 셀보다 훨씬 더 높은 최대 전류를 전달할 수 있습니다. 알칼라인 셀은 셀 케이스에 전해액이 채워지고 양극 역할을 하는 흑연봉이 들어있는 보빈 구조를 가지고 있습니다. 전극의 상대적으로 작은 면적이 전해질과 접촉하기 때문에(젤리-롤 설계와 반대로) 동등한 크기의 알칼리 전지에 대한 내부 저항이 높아져서 전달할 수 있는 최대 전류가 제한됩니다.

방전 시 카드뮴 전극에서 화학 반응은 다음과 같습니다.

${\displaystyle \mathrm {Cd+2OH^{-}\rightarrow Cd(OH)_{2}+2e^{-}} }$

산화니켈 전극에서의 반응은 다음과 같습니다.

${\displaystyle \mathrm {2NiO(OH)+2H_{2}O+2e^{-}\rightarrow 2Ni(OH)_{2}+2OH^{-}} }$

방전 시 순반응은

${\displaystyle \mathrm {2NiO(OH)+Cd+2H_{2}O\rightarrow 2Ni(OH)_{2}+Cd(OH)_{2}.} }$

재충전하는 동안 반응은 오른쪽에서 왼쪽으로 이동합니다. 알칼리성 전해질(일반적으로 KOH)은 이 반응에서 소모되지 않으므로 납축 배터리와 달리 비중이 크지 않아 충전 상태에 대한 지침이 되지 않습니다.

융너는 최초의 Ni-Cd 배터리를 만들 때 양극에는 산화니켈을, 음극에는 철과 카드뮴 물질을 사용했습니다. 이후에야 순수한 카드뮴 금속과 수산화니켈이 사용되었습니다. 1960년 정도까지는 화학 반응이 완전히 이해되지 않았습니다. 반응 생성물에 대해서는 몇 가지 추측이 있었습니다. 결국 적외선 분광법을 통해 수산화카드뮴과 수산화니켈이 밝혀지면서 논쟁이 해결됐습니다.

기본 Ni-Cd 전지의 또 다른 역사적으로 중요한 변화는 수산화칼륨 전해질에 수산화리튬을 첨가하는 것입니다. 이것은 세포가 전기적 남용에 더 저항력을 갖게 하여 수명을 연장한다고 믿었습니다^{[by whom?]}. 현대적인 형태의 Ni-Cd 배터리는 어쨌든 전기 남용에 극도로 저항력이 있기 때문에 이러한 관행은 중단되었습니다.

벤트셀 배터리

대용량 및 높은 방전 속도가 필요한 경우 벤트 셀(습윤 전지, 침수 전지) Ni-Cd 배터리를 사용합니다. 기존의 Ni-Cd 배터리는 밀폐형이므로 충전 가스가 정상적으로 재결합되고 심각한 과충전이나 고장이 발생하지 않는 한 가스를 방출하지 않습니다. 밀폐되어 있는 일반적인 Ni-Cd 전지와는 달리, 통풍이 되는 전지는 과충전 또는 급속 방전 시 발생하는 산소 및 수소 가스를 방출하는 환기구 또는 저압 방출 밸브를 가지고 있습니다. 배터리는 압력 용기가 아니기 때문에 더 안전하고 무게가 덜 나가며 더 단순하고 경제적인 구조를 가지고 있습니다. 이는 또한 과도한 과충전, 방전 또는 심지어 음전하로 인해 배터리가 정상적으로 손상되지 않는다는 것을 의미합니다.

항공, 철도 및 대중 교통, 통신용 백업 전력, 백업 터빈용 엔진 시동 등에 사용됩니다. 벤트 셀 Ni-Cd 배터리를 사용하면 다른 유형의 배터리에 비해 크기, 무게 및 유지보수 요구사항이 줄어듭니다. 벤트 셀 Ni-Cd 배터리는 수명이 길고(종류에 따라 최대 20년 이상), 극한의 온도(-40 ~ 70 °C)에서도 작동합니다.

강철 배터리 상자에는 원하는 전압(셀 당 공칭 1.2V)을 얻기 위해 직렬로 연결된 셀이 들어 있습니다. 셀은 일반적으로 가볍고 내구성이 뛰어난 폴리아미드(나일론)로 만들어지며 내부의 각 전극마다 여러 개의 니켈-카드뮴 판을 용접합니다. 실리콘 고무로 만든 분리막이나 라이너는 전극 사이의 절연체와 가스 장벽 역할을 합니다. 세포는 30% 수산화칼륨(KOH) 수용액의 전해질로 넘쳐납니다. 전해액의 비중은 전지가 방전되었는지 완충되었는지를 나타내는 것이 아니라 주로 물의 증발에 따라 변화합니다. 셀 상단에는 과잉 전해질을 위한 공간과 압력 방출 벤트가 있습니다. 대형 니켈 도금 구리 스터드와 두꺼운 상호 연결 링크는 배터리에 대한 최소 등가 직렬 저항을 보장합니다.

가스 배출은 배터리가 높은 속도로 방전되거나 공칭 속도보다 높은 속도로 재충전되는 것을 의미합니다. 이는 또한 환기 중에 손실된 전해질을 정기적인 유지보수를 통해 주기적으로 교체해야 함을 의미합니다. 충전-방전 주기와 배터리 유형에 따라 몇 개월에서 1년 사이의 유지보수 기간을 의미할 수 있습니다.

벤트 셀 전압은 충전 종료 시 빠르게 상승하여 매우 간단한 충전기 회로를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 배터리는 모든 셀이 최소 1.55V에 도달할 때까지 1CA 속도로 충전되는 정전류입니다. 또 다른 충전 주기는 0.1CA 속도로 따라가며, 다시 모든 셀이 1.55V에 도달할 때까지 계속됩니다. 충전은 이퀄라이징 또는 보충 충전으로 완료되며, 일반적으로 0.1 CA 속도로 4시간 이상 충전됩니다. 과충전의 목적은 전극에 수집된 가스, 음극에 수소, 양극에 산소를 모두 배출하는 것이며, 이러한 가스 중 일부는 재결합하여 물을 형성하고, 이후 전해액 레벨을 가장 높은 레벨로 상승시켜 전해액 레벨을 조정하는 것이 안전합니다. 과충전 또는 보충 충전 중에는 셀 전압이 1.6V를 초과한 후 천천히 떨어지기 시작합니다. 어떤 셀도 1.71V(드라이 셀) 이상으로 상승하거나 1.55V(가스 장벽이 파손됨) 이하로 하강해서는 안 됩니다.^{[citation needed]}

부유식 배터리 전기 시스템이 설치된 항공기에서는 레귤레이터 전압이 일정한 전위 충전(일반적으로 14V 또는 28V)으로 배터리를 충전하도록 설정됩니다. 이 전압을 너무 높게 설정하면 전해액 손실이 급격하게 발생합니다. 충전 조절기가 고장 나면 충전 전압이 이 값을 훨씬 초과하여 전해액이 끓는 상태에서 대규모 과충전이 발생할 수 있습니다.^{[citation needed]}

적용들

밀봉된 Ni-Cd 셀은 개별적으로 사용할 수도 있고, 2개 이상의 셀을 포함하는 배터리 팩에 조립할 수도 있습니다. 소형 전지는 휴대용 전자제품 및 장난감(태양광 정원등과 같은)에 사용되며, 종종 1차 전지와 같은 크기로 제조된 전지를 사용합니다. 기본 셀을 Ni-Cd 배터리로 대체할 경우 단자 전압이 낮고 암페어아워 용량이 작으면 기본 셀에 비해 성능이 저하될 수 있습니다. 미니어처 버튼 셀은 사진 장비, 핸드헬드 램프(번개 또는 토치), 컴퓨터 메모리 대기, 장난감 및 소설에 사용되기도 합니다.

특수 Ni-Cd 배터리는 무선 및 무선 전화, 비상 조명 및 기타 애플리케이션에 사용됩니다. 상대적으로 낮은 내부 저항으로 높은 서지 전류를 공급할 수 있습니다. 따라서 원격 제어 전기 모델 비행기, 보트 및 자동차는 물론 무선 전력 도구 및 카메라 플래시 장치에 유리한 선택이 가능합니다.

더 큰 침수 셀은 항공기 시동 배터리, 전기 자동차 및 대기 전력에 사용됩니다.

인기

20세기 후반에 걸친 배터리 제조 기술의 발전으로 인해 배터리 생산 비용이 점점 더 저렴해졌습니다. 일반적으로 배터리로 작동하는 기기의 인기가 높아졌습니다. 2000년 기준으로 연간 약 15억 개의 Ni-Cd 배터리가 생산되었습니다.^[5] 1990년대 중반까지만 해도 Ni-Cd 배터리는 가정용 전자 제품에서 충전용 배터리의 시장 점유율이 압도적이었습니다.

한때, Ni-Cd 배터리는 EU에서 전체 휴대용 2차(충전식) 배터리 판매의 8%를 차지했으며, 영국에서는 9.2%(폐기), 스위스에서는 1.3%를 차지했습니다.^[6][7][8]

EU에서는 2006년 배터리 지침에 따라 Ni-Cd 배터리를 휴대용 기기로 소비자에게 판매하는 것을 제한했습니다.

유용성

Ni-Cd 셀은 AAA부터 D까지 알칼리성 배터리와 동일한 크기뿐만 아니라 9볼트 배터리와 동등한 여러 다중 셀 크기로 제공됩니다. 완전히 충전된 단일 Ni-Cd 셀은 부하가 없는 상태에서 1.25~1.35V의 전위차를 지니고 있으며, 이는 배터리가 방전됨에 따라 비교적 일정하게 유지됩니다. 거의 완전히 방전된 알칼리 전지는 전압이 0.9V까지 떨어질 수 있기 때문에 Ni-Cd 전지와 알칼리 전지는 일반적으로 대부분의 응용 분야에서 서로 교환 가능합니다.

단일 셀 외에도 최대 300개의 셀(공칭 360볼트, 380~420볼트의 부하가 없는 상태에서 실제 전압)을 포함하는 배터리가 존재합니다. 이 멀티 셀 디자인은 대부분 자동차 및 중장비 산업 응용 분야에 사용됩니다. 휴대용 애플리케이션의 경우 일반적으로 셀 수는 18개 셀(24V) 미만입니다. 산업용 크기의 플러딩 배터리는 12.5Ah에서 최대 수백Ah의 용량으로 제공됩니다.

다른 배터리와의 비교

최근에는 니켈-금속 수소화물 및 리튬-이온 배터리가 상업적으로 이용 가능해지고 가격도 저렴해졌으며, 가격도 Ni-Cd 배터리에 필적하고 있습니다. 에너지 밀도가 중요한 곳에서 Ni-Cd 배터리는 현재 니켈-금속 수소화물 및 리튬-이온 배터리에 비해 불리합니다. 그러나 Ni-Cd 배터리는 손상이나 용량 손실 없이 이러한 방전을 견딜 수 있기 때문에 매우 높은 방전 속도를 요구하는 응용 분야에서 여전히 매우 유용합니다.

다른 형태의 충전식 배터리와 비교했을 때 Ni-Cd 배터리는 다음과 같은 여러 가지 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.

• 배터리는 다른 배터리에 비해 손상이 어려워 장시간 깊은 방전을 견딜 수 있습니다. 사실, 장기 저장에서 Ni-Cd 배터리는 일반적으로 완전히 방전된 상태로 저장됩니다. 이는 예를 들어 리튬 이온 배터리와 대조적인데, 리튬 이온 배터리는 안정성이 떨어지고 최소 전압 이하로 방전되면 영구적으로 손상됩니다.
• 배터리는 거친 조건에서 매우 우수한 성능을 발휘하여 휴대용 도구에 사용하기에 적합합니다.
• Ni-Cd 배터리는 일반적으로 충전/방전 주기 측면에서 납/산 배터리와 같은 다른 충전식 배터리보다 더 오래 지속됩니다.
• Ni-Cd 배터리는 납축 배터리에 비해 에너지 밀도가 훨씬 높습니다. Ni-Cd 배터리는 동급의 납축 배터리보다 작고 가볍지만, 동급의 NiMH 또는 Li-ion 배터리는 아닙니다. 크기와 무게가 중요한 고려 사항인 경우(예: 항공기)에는 저렴한 납축 배터리보다 Ni-Cd 배터리가 선호됩니다.
• 소비자 응용 분야에서 Ni-Cd 배터리는 알칼리성 배터리와 직접 경쟁합니다. Ni-Cd 전지는 동등한 알칼리 전지에 비해 용량이 낮고 비용이 많이 듭니다. 그러나, 알칼리 전지의 화학 반응은 가역적이지 않기 때문에, 재사용 가능한 Ni-Cd 전지는 총 수명이 상당히 길어집니다. 충전식 알칼리 배터리, 또는 일회용 알칼리 배터리를 충전하기 위한 특수 배터리 충전기를 개발하려는 시도가 있었지만 널리 사용된 배터리는 없었습니다.
• Ni-Cd 배터리의 단자 전압은 방전됨에 따라 탄소-아연 배터리에 비해 더 천천히 감소합니다. 알칼리성 배터리의 전압은 충전량이 감소함에 따라 크게 감소하기 때문에 대부분의 소비자 애플리케이션은 약간 낮은 Ni-Cd 셀 전압을 눈에 띄는 성능 손실 없이 처리할 수 있습니다.
• Ni-Cd 배터리의 용량은 매우 높은 방전 전류에 크게 영향을 받지 않습니다. 방전 속도가 50C에 달하더라도 Ni-Cd 배터리는 거의 정격 용량을 제공합니다. 반면 납산 배터리는 비교적 낮은 1.5C에서 방전될 때 정격 용량의 약 절반만 제공합니다.
• Ni-Cd 배터리의 최대 연속 전류 드레인은 일반적으로 약 15C입니다. 사용 가능한 최대 연속 전류 드레인이 5C 이하인 NiMH 배터리와 비교됩니다.
• 니켈-금속 하이드라이드(NiMH) 배터리는 Ni-Cd 배터리와 가장 유사한 최신 경쟁 제품입니다. NiMH 배터리는 Ni-Cd 배터리에 비해 용량이 크고 독성이 적으며 비용 효율이 높습니다. 그러나 Ni-Cd 배터리는 자가 방전율(예: Ni-Cd 배터리의 경우 월 20%, 기존 NiMH의 경우 동일한 조건에서 월 30%)이 낮지만, 자가 방전율은 Ni-Cd 배터리나 기존 NiMH 배터리보다 훨씬 낮습니다. 따라서 배터리의 전류 소모량이 배터리 자체 자체 방전 속도(예: 텔레비전 리모컨)보다 낮은 경우에는 비 LSD NiMH 배터리보다 Ni-Cd를 선호하게 됩니다. 두 유형의 셀 모두에서 자가 방전 속도는 완전 충전 상태에서 가장 높고 충전 상태가 낮으면 다소 떨어집니다. 마지막으로, 비슷한 크기의 Ni-Cd 배터리는 내부 저항이 약간 낮으므로 최대 방전 속도를 높일 수 있습니다(전력 도구와 같은 용도에 중요할 수 있음).

Ni-Cd 배터리와의 주요 절충점은 높은 비용과 카드뮴 사용입니다. 이 중금속은 환경적 위험이 있으며 모든 고급 생명체에 매우 독성이 강합니다. 또한 니켈과 카드뮴의 가격이 더 비싸기 때문에 납 축전지보다 더 비쌉니다. 가장 큰 단점 중 하나는 배터리가 매우 현저한 음의 온도 계수를 나타낸다는 것입니다. 이것은 셀 온도가 올라가면 내부 저항이 떨어짐을 의미합니다. 이는 특히 납-산형 배터리에 사용되는 비교적 간단한 충전 시스템에서 상당한 충전 문제를 야기할 수 있습니다. 납축전지는 다이너모에 연결하기만 하면 충전이 가능하지만, 다이너모가 정지해 있거나 과전류가 발생할 경우 간단한 전자파 차단 시스템을 사용하면 열폭주 현상이 발생합니다. 과전류 차단이 작동하거나 배터리가 자체적으로 파괴될 때까지 충전 전류가 계속 증가합니다. 이것이 엔진 시동 배터리로 사용되는 것을 막는 주요 요인입니다. 오늘날 고체 규제 장치를 갖춘 교류 발전기 기반 충전 시스템을 사용하면 적합한 충전 시스템을 구축하는 것이 비교적 간단하겠지만, 자동차 제조업체들은 시험해 본 기술을 포기하기를 꺼려하고 있습니다.^[9]

기억효과

Ni-Cd 배터리는 동일한 충전 상태로 수백 번 방전 및 재충전될 경우 "메모리 효과"를 겪을 수 있습니다. 명백한 증상은 배터리가 충전이 시작된 시점과 이후 사용 중에 배터리가 방전된 것처럼 그 시점에서 전압이 갑자기 떨어지는 것을 "기억"한다는 것입니다. 배터리의 용량은 실제로 실질적으로 크게 감소하지 않습니다. Ni-Cd 배터리로 구동되도록 설계된 일부 전자 제품은 전압이 정상으로 돌아올 수 있을 정도로 충분히 오래 이 전압을 견딜 수 있습니다. 그러나 이 전압 저하 기간 동안 장치가 작동할 수 없는 경우 배터리에서 충분한 에너지를 얻을 수 없으며 모든 실용적인 목적을 위해 배터리가 정상보다 일찍 "죽은" 상태로 나타납니다.

기억 효과 이야기가 몇 년에 걸쳐 지구의 모든 궤도를 돌면서 비슷하게 충전과 방전을 하는 궤도 위성에서 비롯되었다는 증거가 있습니다.^[10] 이 시간이 지난 후 배터리의 용량은 크게 감소했지만 여전히 사용하기에 적합한 것으로 나타났습니다. 이러한 정밀한 반복 충전(예: 변동성이 2% 미만인 1,000회의 충전/방전)이 전기 제품을 사용하는 개인에 의해 재현될 가능성은 거의 없습니다. 메모리 효과를 기술한 원본 논문은 GE 과학자들이 플로리다 게인스빌에 있는 배터리 사업부에서 작성한 것으로, 나중에 그들에 의해 철회됐지만, 피해가 발생한 것입니다.

배터리는 수천 번의 충전/방전 주기를 견뎌냅니다. 또한 한 달에 한 번 정도 배터리를 완전히 방전하여 메모리 효과를 낮추는 것도 가능합니다.^{[citation needed]} 이렇게 하면 배터리가 충전 주기의 지점을 "기억"하지 못하는 것이 분명합니다.

메모리 효과와 유사한 증상을 보이는 효과로는 이른바 전압 억제나 게으른 배터리 효과가 있습니다. 이는 반복적인 과충전으로 인해 발생합니다. 배터리가 완전히 충전된 것처럼 보이지만 짧은 작동 시간 후에 빠르게 방전되는 증상입니다. 드물게, 손실된 용량의 상당 부분을 몇 번의 심방전 주기로 회수할 수 있으며, 이는 종종 자동 배터리 충전기에 의해 제공되는 기능입니다. 그러나 이 과정을 통해 배터리의 수명이 단축될 수 있습니다.^{[citation needed]} 잘 처리하면 Ni-Cd 배터리는 용량이 원래 용량의 절반 이하로 떨어지기 전에 1,000 사이클 이상 지속될 수 있습니다. 많은 가정용 충전기들이 배터리가 꺼지고 손상되지 않는 "스마트 충전기"라고 주장하지만, 이는 일반적인 문제인 것 같습니다.^{[citation needed]}

환경영향

Ni-Cd 배터리에는 6%에서 18% 사이의 카드뮴이 포함되어 있으며, 이 카드뮴은 독성 중금속이므로 배터리 폐기 시 특별한 주의가 필요합니다.

미국에서는 예상되는 배터리 재활용 비용(사용 수명 종료 시 적절한 폐기를 위해 사용될 것)이 배터리 구입 가격에 반영됩니다.

소위 "배터리 지침"(2006/66/EC)에 따라, 의료용, 경보 시스템, 비상 조명 및 휴대용 전원 도구를 제외하고 유럽 연합 내에서 소비자 Ni-Cd 배터리의 판매가 금지되었습니다. 이 마지막 범주는 2016년부터 금지되었습니다.^[12] 동일한 EU 지침에 따라 사용된 산업용 Ni-Cd 배터리는 전용 시설에서 재활용하기 위해 생산자가 수거해야 합니다.

참고 항목

• 배터리 재활용
• 배터리 종류 비교
• 배터리 크기 목록
• 배터리 종류 목록
• 중량대비전력비

참고문헌

더보기

외부 링크

• "니켈-카드뮴 전지는 차만큼 오래 갑니다." 대중과학, 1948년 8월 113–118쪽.
• Ni-Cd 항공기 배터리, 운영 및 유지보수 매뉴얼 (PDF)
• 1918-1993년 Reditch의 Alcad Nickel Cardmium Battery의 역사