배터리(Cell)

 

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1. 명칭

 

  배터리란? 셀(cell) 또는 파워 셀(power cell) 등으로 불리기도 하지만, 실제로는 여러 개의 셀을 포함한다. 배터리를 '축전지' 또는 파일(pile)' 이라고 부르기도 하지만, 요즘은 잘 사용하지 않는 단어이다.

 

 

2. 역할

 

배터리에는 화학전지가 하나 이상 포함되어 있으며, 화학전지에서는 화학반응이 침지되어 있는 2개의 터미널 사이에 전위차를 생성한다. 이 전위차는 전류가 부하를 통과하면서 줄어든다.

화학전지를 전해전지와 혼동을 해서는 안된다. 전해전지는 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 전기분해를 촉진하고 이에 의해 화학물이 그 구성성분으로 분해된다. 그러므로 전해전지는 전기를 소모하고, 화학전지는 전기를 생산한다.
배터리의 크기는 단추형 전지 같은 소형부터 태양광 패널이나 풍력발전기로 만든 납 축전지 같은 대형에 이르기까지 다양하다.

 

 

3. 작동원리

 

배터리의 기본 원리를 설명하는 도면을 보면, 적극의 역할을 하는 구리 도막의 일부가 황산구리 용액에 잠겨 있고, 두 번째 전극인 아연 도막은 황산아연 용액에 잠겨있다. 황산구리 용액과 황산아연 용액을 전해액이라고 하며, 전극과 전해액으로 구성되는 완전한 전지를 셀(cell)이라고 한다. 그리고 셀의 절반을 반전지(half-cell)라고 한다.

 

 

4. 다양한 유형

 

①일회용 배터리
1차셀(1차전지)이라고 한다.일회용 배터리 내부의 화학반응은 역반응이 쉽게 일어나지 않기 때문에 충전이 불가능 하다.

②충전식 배터리
2차셀(2차전지)이라고 한다.충전식 배터리는 충전기 형태의 외부 전원을 양 극단에 연결하여 충전이 가능하다. 충전을 반복하면서 전극의 화학적 분해가 서서히 발생하는데, 분해 속도는 배터리의 원료와 관리 방식에 따라 영향을 받는다.

③연료전지
활성가스를 주입하여 전기화학적 반응을 오랫동안 유지시킨다.

 

 

Tip - 일부 작업에서 대형 캐패시터가 배터리를 대체할 수 있으나, 에너지 밀도가 낮고 같은 적력 용량의 배터리와 비교할 때 제조 단가가 더 비싸다. 캐패시터는 화학반응이 일어나지 않아 배터리보다 충전과 방전이 더 빠르게 진행되지만, 방전 사이클에서 배터리가 전압을 더 잘 유지한다. 대량의 에너지를 저장할 수 있는 캐패시터는 초고용량 캐패시터라고 한다.

 

 

5. 사용법

 

​회로 전원공급용으로 배터리를 선택할 때 고려할 사항은 보관 기간, 최대 전류 누출과 통상적인 전류 누출, 배터리 무게 등이다. 제품을 선택할 때에는 배터리 Ah 규격을 너무 절대적인 기준으로 삼지 않는 것이 좋다. 누출이 100mA 또는 그 이하인 5V 회로는 9V 배터리를 이용하는 것이 일반적이다. 배터리나 셀은 직렬 또는 병렬로 사용할 수 있다. 모든 셀이 동일하다고 가정할떄, 직렬 연결된 셀의 총 전압은 각각의 셀의 전압의 합이며, Ah 규격은 셀 하나의 값과 같다.

일반적으로 배터리는 휴대가 간편하고,민감한 부품의 오작동을 일으킬 수 있는 전압 스파크나 소음이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다. 그러므로 회로 내 다른 부품에서 발생할 수 있는 소음에 따라 평활화의 필요 여부가 결정된다.모터나 기타 유도성 부하는 가동되기 시작한 후 사용하는 전류의 몇 배에 이르는 초기 서지를 일으킬수 있다. 따라서 이러한 서지를 손상 없이 결딜 수 있는 배터리를 선택해야 한다.

이러한 화재의 위험 때문에, 미국의 항공 규정에서는 기내 수하물 또는 승객의 화물에 들어가는 전자제품의 리튬이온 배터리의 Ah 용량을 제한한다. 만일 항공 화물로 자주 운송해야 하는 제품이라면 니켈수소 배터리가 적합하다.

 

 

6. 주의사항

 

​①회로 단락으로 인한 과열과 화재
상당한 전류를 전달할 수 있는 배터리는 단락될 경우 과열되거나 화재가 발생할 위험이 있으며, 심지어 폭발할 가능성이 있다. 저렴하고 간편한 DC 전원공급장치로 배터리 팩을 사용한다면, 회로를 구성할 때 퓨즈나 차단기를 포함시켜야 한다. 배터리 전원을 많이 이용하는 제품은 모두 퓨즈를 사용해야 한다.

②부적절한 충전으로 인한 성능 저하
대다수의 배터리는 정확하게 측정된 충전 전압과 완전히 충전되었을 때 자동으로 종료되는 사이클이 필요하다. 이 프로토콜을 모니터링 하지 못하면 회복할 수 없는 화학적 손상이 발생된다. 충전기는 배터리의 유형에 맞는 제품으로 정확하게 사용해야 한다.

③납 축전지의 완전한 방전
딥사이클용으로 특별히 설계된 경우가 아닌 이상 납 축전지를 완전 방전 또는 완전에 가깝게 방전시키면 수명이 대폭 감소한다. 딥사이클 배터리라도 80% 이상의 방전은 일반적으로 권하지 않는다.

④불충분한 전류
배터리 내의 화학반응은 낮은 온도에서 더 천천히 일어난다. 따라서 차가운 배터리는 따뜻한 배터리만큼 전류를 전달하지 못한다. 이와 동시에 온도가 떨어지면 엔진오일의 점성이 높아지므로 시동 모터는 엔진을 돌리기 위해 더 높은 전류가 필요로 한다. 이를 통해 겨울철 아침에 자동차 배터리가 잘 작동되지 않는 현상을 설명할 수 있다.

⑤부정확한 극성
배터리 충전기 또는 발전기를 배터리와 연결할 때 극성이 틀리면 배터리는 영구적인 손상을 입는다. 충전기 내의 퓨즈나 차단기가 이러한 상황이 발생하는 것을 막고, 충전기가 손상을 입는 거도 방지해주지만 결과를 보장할 수는 없다. 고용량 배터리 2개를 반대 극으로 연결하면 그 결과는 폭발로 이어진다. 케이블로 연결할 때는 절대로 자동차 배터리 위로 몸을 굽히지 말고, 가급적 눈 보호 장치를 착용하는 것이 이상적이다.

⑥역충전
역충전은 직렬로 연결된 두 배터리 중 하나는 완전히 방전되고 다른 하나는 아직 전류를 공급하고 있을 때 발생 된다.이러한 문제가 발생하지 않도록 여러 셀을 포함하는 배터리 팩은 절대로 완전히 방전되면 안 된다.

⑦황화 작용
납 축전지가 일부 또는 완전 방전되고 그 상태가 유지되면 금속판에 황이 쌓인다. 황은 서서히 굳으면서 배터리를 충전하는 데 필요한 전기화학 반응을 방해하는 물질을 형성한다. 이러한 이유로 납 축전지는 방전 상태에서 오랫동안 방치되면 안된다.

⑧병렬 배터리 사이의 높은 전류
두 배터리가 정확한 극성으로 병렬로 연결되어 있으나 그중 하나만 완전히 충전되어 있고 다른 하나는 그렇지 않다면,충전된 배터리는 이웃 배터리를 충전한다. 되도록 고압전류용 퓨즈를 이용해 보호하는 것이 이상적이다.

 

 

 

 

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