비축전지

국방과학연구소가 개발한 고체 전해질 비축전지 Li/FeS₂열전지와 Li/SOCI₂액체 전해질 전지

비축전지(reserve battery)는 전지를 구성하는 양극, 음극, 전해질과 같은 구성 원소들을 분리해서 보관하고 있다가 전지를 써야 할 때 즉시 결합하여 사용하는 방식으로, 수십 년 이상의 긴 시간 동안 에너지를 보존하기 위해 제작된 전지이다. 비축 전지라고 띄어서 쓰기도 한다. 비축전지는 필요한 시점에 활성화시켜 즉시 전력을 얻을 수 있는 단발성 전지이다

전지의 성능열화 및 자기 방전(self-discharge)이 원천적으로 차단된 상태로 장기간 저장하기 위하여 전극과 전해질을 분리하여 보관하거나, 상온의 밀봉상태에서 이온 전도성이 없는 고체 전해질을 사용하는 방법이 주로 사용되고 있다. 대표적인 비축전지로는 전해액활성 비축전지(electrolyte-activated reserve battery), 해수활성 비축전지(seawater-activated reserve battery), 열 활성 비축전지(heat-activated reserve battery, thermal battery) 등이 있다.

전해액활성 비축전지는 전해액과 전극이 분리되어 보관하다가 필요한 시점에 충격, 구심력 또는 가스발생기 등의 작동으로 전해액을 전극부로 주입하여 활성화시키는 전지로, 자기방전이 원천적으로 차단된다. 전해액활성 비축전지는 가스발생기 등 활성화에 필요한 별도의 활성화 기구가 필요하므로 열전지에 비하여 구조가 복잡하지만 비에너지(Wh/kg)는 상대적으로 높으며, 열전지에 비해 낮은 출력 밀도로 장시간 전원을 공급하는 분야에 유리하다. 저출력, 저에너지 밀도 전원을 필요로 하는 대표적인 응용 분야인 소형 전자식신관(electronic fuze) 전원으로는, 주로 회전활성 방식(spinactivated type)의 Pb/PbO₂(음극/양극)와 Li/SOCl₂ 전지가 사용되어 왔다. 미사일, 어뢰 및 지뢰 등의 전원으로는, 고출력, 고에너지 밀도의 특성을 가진 Zn/AgO, Li/SOCl₂, Li/SO₂, Li/MnO₂ 등이 널리 채택되고 있다.

어뢰 등의 추진 전원으로 사용되고 있는 해수전지는 전해액을 별도로 보관하는 대신에 바닷물을 유입시켜 전해액으로 활성화 되며, 기존의 Mg/PbCl₂, Mg/AgCl, Zn/AgO 전극시스템에서 최근 들어서는 에너지 밀도가 높은 Al/AgO으로 전환되고 있는 추세에 있다.

전해액 활성 비축전지

비축형전지는 전극조립체와 전해액이 분리되어 보관되어 있다가, 발동장치가 작동되면서 전해액이 전극조립체 쪽으로 유입되어 전지가 활성화된다. 전해액은 전극조립체와 분리보관하기 위하여 금속박막 등으로 격리된 별도의 용기에 저장한다.

전지는 가스발생기나 압축 상태의 프레온 가스 등에 의한 압력으로 격리막이 파단되면서 전해액이 전극조립체에 주입되어 발동된다. 통상적으로 격리막을 파단시키기 위해서는 전해액 압력에 의한 파단이나 점화장치의 압력을 이용하는 스퀴브(squib) 절단장치 등 별도의 금속박막 파단장치를 사용한다. 별도의 파단장치를 사용하는 경우 전극조립체와 전해액 저장용기 사이에 별도의 공간이 있어야 하며, 스퀴브(squib) 절단장치에서 발생하는 점화기 가스의 밀봉장치 등이 필요하다. 전해액 압력을 이용하여 금속박막을 파단시키는 경우 비교적 높은 압력이 필요하며, 균일한 압력에서 파단되는 금속박막을 제조하는 것도 매우 어려운 기술이다.

전해액은 수축 가능한 금속이나 플라스틱 등의 주름상자(bellows), 또는 피스톤을 갖춘 저장용기에 보관된다. 전해액 주입은 가스 발생기 또는 고압의 액상 프레온 가스 등에서 발생하는 압력에 의해 주름상자의 압축 또는 피스톤의 이동으로 가능하다. 전해액은 비압축성 액체이므로 전해액이 주입되면서 전해액 저장용기내의 전해액 부피가 감소되면 피스톤이 이동하거나 주름상자가 변형하며 전해액 주입이 계속된다.

현재 미국의 기술은 에너지 밀도가 89Wh/kg, 158Wh/L 이며, 이글 피처 테크놀로지(Eagle-Picher Technology)사에서 Li/SO₂Cl₂ 대용량 비축형 전지를 생산하여 THAAD 미사일의 전원으로 응용하고 있다. 이 분야의 선진국 기술 (미국, 프랑스, 러시아)은 거의 완성된 기술이라고 판단되며, 가까운 미래에 관련 기술의 획기적인 발전은 기대되지 않는다.

열전지

열전지(thermal battery)는 화약 열원(pyrotechnicheat source)을 이용하여 상온에서는 이온 전도성이 없는 고상의 무기염 전해질(inorganic salt electrolyte)을 용융시킴으로써 비로소 전지로 작동된다. 전해액 활성화식 비축전지가 액상의 전해질을 전극부와 분리하여 보관하는 방식을 채택하는 것과는 달리, 열전지는 상온에서 이온 전도성이 없는 고체 전해질을 사용하여 성능의 열화 및 자가 방전(self discharge)을 차단하는 방식을 채택하고 있다. 이 고체 전해질은 밀봉된 상태의 상온 조건에서 이온 전도성 및 부식성이 거의 없으므로 성능의 열화 없이 장기간 보관이 가능하며, 동일한 전극 조립체 내에 위치하고 있어 전지의 구조와 제조공정이 단순하며 신뢰성이 탁월한 장점이 있다. 열전지 개발 초기에는 Ca/CaCrO4 또는 Mg/V₂O₅ 등의 전기화학적 시스템이 사용되어 왔으나, 전지 활성 상태에서 원치 않은 화학반응 발생, 환경오염 문제, 짧은 수명, 낮은 신뢰도 및 전류용량 등의 문제점으로 인하여 현재는 거의 사용되지 않고 있으며, 현재는 리튬(Li) 기반의 Li(M)/FeS₂ 전극 시스템이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 열전지는 비출력(specific power)이 크고, 보수유지가 불필요하며(maintenance free), 긴 저장 수명(long shelf life), 넓은 작동 온도(wide operation temperature) 및 높은 신뢰도(high reliability) 등의 장점으로 추진체(projectiles), 로켓(rockets), 어뢰(torpedoes), 미사일(missiles)용 전원 및 항공기(aircraft)의 비상 전원(emergency power sources) 등과 같은 다양한 특수 목적의 군사용 전원으로 널리 사용되고 있다.

참고자료

• 열전지 기술 현황과 전극재료 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201501255363726.pdf

같이 보기

• 열전지
• 해수전지

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