납축전지

자동차용 납축전지

납축전지(lead–acid battery)는 납과 황산을 전극과 전해질로 사용하는 전지로서, 충전 방전을 통해 반복해 사용할 수 있는 2차전지이다. 납산배터리, 납전지라고도 부른다. 1859년 프랑스의 플랑테(Planté)가 개발한 가장 오래된 형태의 2차전지로 현재 자동차에 널리 활용되고 있다. 지금도 가장 많이 사용되는 이유는 안정된 품질과 신뢰성, 경제성 때문이며, 니켈 카드늄 축전지도 사용되는데 납축전지 대비, 비싸지만(약 5배정도) 강도, 수명, 취급 용이성에서 우수함으로 사용된다.

개요

납축전지는 전기화학반응을 이용하는 축전지로 과산화납을 양극(陽極)으로, 납을 음극으로 사용하고 전해액(電解液)으로는 비중 약 1.2의 묽은 황산을 쓴다. 화학반응이 가역적(可逆的)이며 충전해서 사용할 수 있는 2차전지이다. 자동차 축전지 등으로 널리 쓰인다.

이온화도가 다른 두 개의 전극으로 이루어진 회로를 전해액을 통하도록 구성하면 이온화도가 큰 쪽의 전극으로부터 반대쪽 전극으로 전자가 이동하게 된다. 1800년 이탈리아의 볼타는 이러한 현상을 이용하여 은판과 아연판을 이용한 최초의 1차전지인 볼타전지를 발명하였다.

납축전지는 볼타전지와 같은 전기화학반응을 이용하는 2차전지이다. 과산화납(PbO2)을 양극(陽極)으로, 납(Pb)을 음극으로 사용하고 전해액(電解液)으로는 비중 약 1.2의 묽은 황산(H2SO4)을 쓰며 전류가 흐를 때 각각의 전극에서는 다음과 같은 화학반응이 일어난다.

구조

양극((+)극)으로 쓰이는 이산화 납판과 음극((-)극)으로 쓰이는 납판이 진한 황산에 잠겨 있는 구조를 한다.(음극은 산화전극을 일컫는 말이며, 양극은 환원전극을 일컫는 말이다.) 구형 납 축전지는 밀폐 상태가 안 좋아 주기적으로 진한 황산을 채워 넣어주어야 했지만 현재 시판중인 납 축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 누출의 위험이 없다.

장단점

장점

• 낮은 제조 원가 : 사용되는 원재료 구입이 용이함
• 대용량이 가능하며 다양한 크기로 제작 가능함(최소 1AH에서 수천 AH용량의 전지)
• 고율 방전 특성이 우수함(Ni-Cd가 더 우수)
• 저온, 고온 방전 특성이 우수함
• 충전 효율이 우수함 : 방전/충전 = 70%이상
• 높은 cell 전압 : 개회로 전압 : 2.0V이상
• 쉽게 충전 상태 확인 : 밀폐형인 경우 어렵다.
• 과 충전 저항력이 강함
• 무보수 축전지 가능
• 다른 2차 전지 대비 가격 경쟁력 우수

단점

• 상대적으로 수명이 짧음(Ni-Cd대비)
• 에너지 밀도가 낮음. 30-40Wh/kg
• 충전상태 지속성이 낮음. 자기방전
• 방전후 장기 보존이 어렵다. 수명에 치명적임
• 매우 작은 size로 제작이 어려움. Ni-Cd:단추형 및 500mAH 이하 가능
• 수소가스 발생. 화기 주의
• 중금속: 납
• 국부 열화(thermal runaway)현상 발생 위험 -VRLA(valveregulated lead acid)

원리

납 축전지의 원리는 다음 반응식으로 설명되며, 반응하는 순간은 고체 상 반응이 아닌 액상 반응이라는 점이다. 이는 매우 중요한 사실이며 고체↔액체↔고체 사이로 움직이므로 움직이는 과정에서 필연코 손실이 발생한다. 이것이 수명 종료 원인이다.

• 전체 반응식 PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇔ 2PbSO₄ + 2H₂O
• 양극 반응식 PbO₂ + 3H⁻ + HSO₄⁻ + 2e ⇔ PbSO₄+ 2H₂O
• 음극 반응식 Pb + HSO₄⁻ ⇔ PbSO₄ + H ⁺ + 2e

위 반응식에 음극 반응식을 보면 전자가 생성됨을 알 수 있다. 이는 전자가 음극에서 양극으로 이동하여 전류가 양극에서 음극으로 발생됨을 알 수 있다. 즉 축전지의 용량을 결정하는 것은 전자를 흡수하여 조절하는 양극 반응물이라는 점이다. 축전지를 설계하는 자들은 양극 반응물로 축전지 용량을 설계하며, 음극은 양극대비, 부족하게 설계한다. (주 절대적인 것은 아니며, 이는 밀폐형 납 축전지에서 설명한다.) 중요한 점은 액상 반응이라는 것을 필히 인지하여야 다음에 기술되는 축전지가 조기에 수명이 종료되는 것을 이해할 수 있다.

종류

납축전지는 역사가 오래된 만큼 사용분야에 따라 종류도 많고 사이즈도 다양해 구분방법도 자료마다 조금씩 차이가 난다. 크게 나누자면 '사용분야'와 '설계방법'에 의한 2가지 구분 방법이 있다.

사용에 따른 구분

자동차용 납축전지와 딥-씨이클 두가지로 나뉜다. 납축전지가 가장 많이 사용되는 분야는 자동차이다. 자동차에 사용되는 모든 배터리는 전기자동차가 아닌 이상 납축전지라고 보면 된다. 가격대비 제조비나 성능이 제일 좋기 때문에 개발된지 거의 150년이 넘어가지만 아직도 주류제품으로 자리를 잡고 있다. 그 다음으로 많이 사용되는 분야는 '태양광'을 통한 백업용 전력저장 장치나 골프카트, 모터보트, 오토바이 등 모터로 구동하는 소형 운송수단의 전원으로 사용되는 딥싸이클(Deep cycle) 배터리가 있는데 자동차용 납축전지는 스타터 배터리(starter battery) 또는 크랭크 배터리(cranking battery)라 부르고 그 이외의 납축전지는 보통 딥싸이클 배터리라고 부른다.

이 둘의 차이점은 기본설계는 동일하지만 내부 부품들의 설계가 다르다. 자동차용 배터리는 짧은 시간 동안 아주 높은 전류가 흘러야 하고 전체 배터리용량을 다 사용하지 않고 아주 심한 경우에도 용량의 20% 정도까지만 사용할 수 있게 설계된 반면(그 이상 방전시키면 배터리 수명이 급격히 떨어짐), 딥싸이클 배터리는 자동차 배터리보다 낮은 전류를(같은 용량의 자동차용 배터리 대비 1/2수준) 계속 사용하면서 배터리 용량의 45~75%까지도 사용할 수 있게 만든 배터리로 서로 호환해서 사용할 수 없다.

참고자료

• 〈납축전지〉, 《화학백과》
• 〈납축전지〉, 《두산백과》
• 〈납축전지〉, 《위키백과》

같이 보기

• 2차전지
• 플랑테

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