니켈-아연 전지

Nickel–zinc battery
니켈-아연 전지
AA 및 AAA 크기의 니켈-아연 전지
비중에너지100W·h/kg
에너지 밀도280W·h/L
비전력>3000W/kg
에너지/소비자가격2~3Wh/US$
공칭 셀 전압1.65V

니켈-아연 전지(Ni-Zn battery 또는 NiZn battery)는 니켈-카드뮴 전지와 유사하지만 1.6V의 높은 전압을 갖는 충전식 전지의 일종입니다.

더 큰 니켈-아연 배터리 시스템은 100년 이상 알려져 왔습니다. 2000년부터 안정화된 아연 전극 시스템의 개발로 인해 이 기술은 상용화된 다른 충전식 배터리 시스템과 경쟁력을 갖게 되었습니다. 일부 다른 기술과 달리 물방울 충전은 권장되지 않습니다.

역사

1901년 토마스 알바 에디슨은 충전식 니켈-아연 배터리 시스템으로 미국 특허 684,204를 받았습니다.[1]

이 배터리는 나중에 아일랜드 화학자 제임스 드러름(James J. Drumm, 1897-1974)[2]에 의해 개발되었으며 1932년에서 1949년 사이에 더블린-브레이 철도 노선에 사용하기 위해 4대의 2량짜리 드러름 철도 차량 세트에 설치되었습니다. 성공했지만 배터리가 다 닳으면서 철수했습니다. 초기 니켈-아연 배터리는 방전-충전 주기가 적었습니다. 1960년대에는 니켈-아연 배터리가 은-아연 배터리를 대체하여 군사용으로 연구되었으며, 1970년대에는 전기 자동차에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.[3] Evercel Inc.는 니켈-아연 배터리의 몇 가지 개선을 개발하고 특허를 취득했지만 2004년에 해당 분야에서 철수했습니다.[4]

적용들

니켈-아연 배터리는 1.2V NiCd 또는 NiMH 셀과 유사한 충방전 곡선을 갖지만 1.6V 공칭 전압이 더 높습니다.[5]

니켈-아연 배터리는 높은 배수량의 응용 분야에서 우수한 성능을 발휘하며, 에너지 대 질량 비율이 높고 전력 대 질량 비율이 높기 때문에 납축 배터리를 대체할 가능성이 있습니다. 동일한 전력에 대해 질량의 25%에 불과합니다.[6] 니켈-아연 배터리는 니켈-카드뮴 배터리에[6] 비해 가격이 저렴하며 니켈-카드뮴과 납-산 유형 사이에서 가격이 책정될 것으로 예상됩니다. 니켈-아연은 니켈-카드뮴의 대체물로 사용될 수 있습니다. 유럽 의회는 카드뮴 기반 배터리에 대한 금지를 지지했습니다.[1] 니켈-아연은 전동 공구 및 기타 용도에 대한 좋은 대안입니다. 단점은 약 30-50 사이클 후 자가 방전 속도가 증가하여 배터리가 새 제품과 같이 충전을 유지하지 못한다는 것입니다. 이것이 문제가 되지 않는 니켈-아연은 고출력 및 고전압이 필요한 용도에 적합한 선택입니다.[7]

배터리 수명

수산화 카드뮴과 비교할 때, 용해성 수산화 아연 이온(아연산염)이 용액에 용해되어 재충전 동안 음극으로 완전히 이동하지 않는 경향이 있어, 과거에는 니켈-아연 전지의 상업적 생존성에 대한 도전이 제기되었습니다.[1][3] 아연 충전 배터리의 또 다른 일반적인 문제는 전극 모양 변화와 덴드라이트(또는 "휘저")로 인해 셀 방전 성능이 저하되거나 결국 셀이 단락되어 사이클 수명이 저하될 수 있습니다.

최근의 발전으로 이 문제를 크게 줄일 수 있게 되었습니다. 이러한 진보는 전극 분리막 재료의 개선, 아연 재료 안정화제의 포함, 및 (예를 들어, 인산염을 사용함으로써) 전해질 개선을 포함합니다. 파워제닉스는 NiCd 배터리와 비슷한 배터리 사이클 수명을 가진 1.6V 배터리를 개발했습니다.[8]

배터리 사이클 수명은 정격 용량의 80%의 방전 깊이에서 1시간의 방전 전류율을 가정할 때 가장 일반적으로 지정됩니다. 방전 전류 또는 방전 깊이가 감소함에 따라 배터리의 충방전 사이클 수가 증가합니다. Ni-Zn을 다른 배터리 기술과 비교할 때 사용되는 방전 속도 및 방전 깊이에 따라 사이클 수명 비교가 달라질 수 있습니다.

이점

니켈-아연 전지는 완전 충전 시 1.85V의 개방 회로 전압과 [9]1.65V의 공칭 전압을 갖습니다. 이는 Ni-Zn을 대부분의 재충전 가능한 셀의 1.2V(대부분의 회로가 약간 높은 전압을 견딜 수 있음)보다 1.5V의 알칼리성 1차 셀을 필요로 하는 전자 제품에 특히 적합하며, 일반적으로 알칼리성 셀의 끝점 전압 이상에서는 올바르게 작동하지 않습니다. 1.2V 충전 셀의 출력 전압은 충전이 완전히 완료되기 전에 이 시점까지 떨어집니다.[citation needed]

다중 셀 배터리에 사용하기 위해 Ni-Zn 셀의 높은 전압은 동일한 전압에 대해 NiCd 및 NiMH보다 적은 셀을 필요로 합니다. 그들은 낮은 내부 임피던스(일반적으로 5백만 밀리초)를 가지고 있어 50C까지 높은 배터리 방전 속도를 허용합니다(C는 Ah 단위의 배터리 용량을 1시간으로 나눈 값).[citation needed]

더 강력하고 최대 800 사이클의 수명을 가진 더 새로운 셀은 전기 자동차용 Li-ion 배터리의 대안이 될 수 있습니다.

니켈-아연 배터리는 수은, 납, 카드뮴, 금속 수소화물 등을 사용하지 않으며, 이들 모두는 재활용이 어려울 수 있습니다.[10] 니켈과 아연은 모두 자연에서 흔히 발생하는 원소이며 완전히 재활용할 수 있습니다. NiZn 셀은 인화성 활성 물질이나 유기 전해질을 사용하지 않으며, 이후 설계에서는 수지상 문제를 줄이는 고분자 분리막을 사용합니다.

적절하게 설계된 NiZn 셀은 매우 높은 전력 밀도와 좋은 저온 방전 성능을 가질 수 있으며, 거의 100%까지 방전 및 재충전이 문제없이 가능합니다. 2017년 기준으로 F, 50Ah/프리즘 셀까지 크기가 제공됩니다.

아연은 값싸고 풍부한 금속으로 지각에서 24번째로 풍부한 원소이며 건강에 위험하지 않습니다. 일반적인 산화는 +2이므로, NiMH 배터리에서와 같이 충전과 방전이 하나가 아닌 두 개의 전자를 이동시킵니다.

충전하는

니켈-아연 배터리의 충전기는 셀당 1.85V의 만충전 전압으로 NiMH의 1.4V보다 높은 충전이 가능해야 합니다. NiZn 기술은 C 또는 C/2의 최적 충전 속도를 선호하기 때문에 빠른 충전 사이클링에 매우 적합합니다.[11]

알려진 충전 방식에는 셀 전압 = 1.9 V에 대한 C 또는 C/2의 정전류가 포함됩니다. 한 제조업체에서는[12] 셀 전압이 1.9V에 도달할 때까지 C/4~C의 정전류로 충전한 다음 충전 전류가 C/40으로 감소할 때까지 1.9V의 정전압으로 계속 충전할 것을 권장합니다.

최대 충전 시간은 2009년에 약 3시간으로 명시되었습니다.[11] 한 번 충전하면 재결합이 제공되지 않고, 과잉의 수소가 결국 배출되어 배터리 사이클 수명에 악영향을 미치기 때문에 지속적인 세류 충전은 권장되지 않습니다.[citation needed] NiZn 배터리의 일부 충전기는 배터리가 완전히 충전된 후에 소량의 충전이 되지 않고 전원이 차단된다고 말합니다.[13]

화학

(-) 전극 : Zn + 4 OH ⇌ Zn(OH) + 2e (E = -1.2 V/SHE)
전해질 : KOH
Zn(OH)42− ⇌ Zn(OH)2 + 2OH−
Zn(OH)2 ⇌ ZnO + H2O
(+)전극 : NiO(OH) 2개 + HO 2개 + e⇌ 2개 Ni(OH) + OH 2개 (E = +0.50V/SHE)
전체 반응 : Zn + 2 NiO(OH) + HO ⇌ ZnO + 2 Ni(OH)
기생반응 : Zn + 2 HO → Zn(OH) + H

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b c "더 나은 배터리 구축", Kerry A. Dolan, Forbes.com , Forbes 잡지, 2009년 5월 11일, 검색 2011-02-12, Forbes-44.
  2. ^ "Famous Irish Chemists: James J. Drumm". Ul.ie. Archived from the original on 22 July 2012. Retrieved 1 July 2012.
  3. ^ a b David Linden (ed), 배터리 핸드북, McGraw Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, 31장.
  4. ^ Evercel 재무제표 2007 2016년 3월 7일 Wayback Machine, Evercel.com , 9페이지, 2010년 11월 23일 검색.
  5. ^ 배터리 미터 문제, NiZn 방전 곡선 및 카메라 전압 차단, PentaxForums.com
  6. ^ a b "Nickel Zinc". EnerSys.com. EnerSys. Retrieved 13 July 2015.
  7. ^ Thomas, Justin (16 March 2012). "A Review of NiZn Batteries". MetaEfficient.com. inSync Theme. Retrieved 10 August 2020.
  8. ^ "배터리 개발의 간략한 이력", PowerGenix.com , 2010, 2011년 2월 12일 검색. 2011년 2월 25일 Wayback Machine에서 보관
  9. ^ [1]새로운 NiZn 배터리는 번개처럼 빠른 재활용을 제공합니다.
  10. ^ "Safety Data Sheet: Nickel Zinc Battery (Cell) Sizes: Sub-C and Prismatic". ZincFive. 24 May 2019. Retrieved 10 August 2020.
  11. ^ a b "PowerGenix NiZn Quick Charger". Powergenix.com. 2009. Archived from the original on 23 April 2016.
  12. ^ "Nickel-Zinc Charging Instructions". Zincfive. Retrieved 5 June 2019.
  13. ^ "UPStealth NEMA Battery Panel". ZincFive (formerly PowerGenix). 2017. Archived from the original on 2 February 2017.{{cite web}}: CS1 maint: 잘못된 URL (링크)