니켈 카드뮴 배터리(nickel–cadmium battery, NiCd battery, NiCad battery)는 니켈과 카드뮴을 쓰는 알칼리 축전지이다. 니카드 배터리((NiCad)로도 불린다. 휴대용 전자기기와 장난감에 널리 쓰이며, 알칼라인 전지와 같은 1차전지를 대신해서 쓰이기도 한다. 납축전지보다 무게에 비해 효율이 좋고 수명이 길기 때문에 비행기의 시동을 거는 데에 쓰이고 전기 자동차에도 쓰인다. 그러나 충전식 전지에서 완전 방전되지 않은 채 충전하면 구동시간이 처음보다 짧아지는데, 이런 니켈카드뮴 배터리의 큰 단점으로 인한 사용의 불편과 더불어 니켈 수소 배터리의 출현으로 현재는 사용량이 급격히 줄어들었다.
개요
니켈 카드뮴 배터리는 양극(陽極)에 니켈의 수산화물을, 음극에 카드뮴을 사용한 충전지이다. 갱내 안전등(坑內安全燈) ·열차점등용 ·통신전원 ·전기차 동력 ·디젤 기관의 시동, 기타 고율방전용 등에 이용된다.
전해액은 20~25% 수산화칼륨 수용액에 소량의 수산화리튬을 첨가한 것이 많이 사용된다. 음·양의 두 극판은 서로 엇갈리게 짜서 니켈을 도금한 강판제, 또는 스티롤 등의 합성수지로 된 전해조에 넣고, 두 극판은 염화비닐 등의 다공판인 세퍼레이터(separator)로 격리한다. 기전력은 1.33~1.35V이며, 보통 20~45℃에서 사용이 가능하다.
충전할 때는 전해액이 감소하므로 물을 보충한다. 전기적으로나 기계적으로 튼튼하여 수명이 길고, 안정하며 보전이 수월한 독립전원으로 그 용도가 넓다. 튜브식은 수명이 가장 길고, 완방전용에 적합하며, 포켓식은 두꺼운 형과 얇은 형이 있는데, 완방전용과 급방전용의 양쪽에 사용된다.
용도는 갱내 안전등·열차점등용·통신전원·전기차 동력·디젤 기관의 시동, 기타 고율방전용 등이다. 근래에는 종래의 것과는 구조가 다른 고성능의 소결식 니켈-카드뮴 전지가 실용되고 있다. 음·양의 두 극판 모두 니켈 분말을 소결해서 얻은 다공성 금속판에 극물질을 스며들게 한 구조이며, 내부저항도 적다. 이 밖에 완전밀폐형도 있으며, 플래시램프·사진 플래시·전기면도기·전기시계·전자기기·라디오·태양전지 조합전원·로켓·미사일 등에 사용된다.
역사
니켈 카드뮴 배터리(NiCd)는 1899년 스웨덴의 발데마르 융너(Waldemar Jungner)에 의해 발명되었다. 당시 유일한 경쟁자는 납산배터리였는데, 이는 물리적, 화학적 견고성이 낮았다. 첫 번째 프로토타입에 대한 약간의 개선으로 에너지 밀도는 빠르게 증가하여 기본 배터리의 약 절반으로 증가했으며 납산 배터리보다 훨씬 더 커졌다. 융너는 카드뮴을 철로 대체하는 실험을 다양한 양으로 했지만 철 제형(formulations )이 필요하는 것을 발견했다. 융너의 작업은 미국에서 거의 알려지지 않았다. 토머스 에디슨은 1902년 니켈 또는 코발트 카드뮴 배터리 특허를 냈고 융너가 니켈 철 배터리를 만든 지 2년 만에 미국에 선보이면서 배터리 디자인을 채택했다. 1906년 융너는 스웨덴 오스카르샴 근처에 공장을 설립하여 Ni-Cd 배터리를 생산하였다.
1932년에는 다공성 니켈 도금 전극 내부에 활성 물질이 축적되었고, 15년 후 밀폐된 니켈 카드뮴 배터리에 대한 작업이 시작되었다.
미국에서 첫 번째 생산은 1946년에 시작되었다. 이때까지만 해도 배터리는 니켈과 카드뮴 활성 물질이 함유된 니켈 도금 강철 포켓으로 구성된 '포켓형'이었다. 20세기 중반 무렵, 소결극판 Ni–Cd 배터리가 점점 더 인기를 끌었다. 니켈 분말을 용해 지점보다 훨씬 낮은 온도에서 고압을 사용하여 혼합하면 소결판이 생성된다. 따라서 형성된 판은 부피 기준으로 약 80%가 다공성이다. 양극판과 음극판은 니켈 및 카드뮴 활성 물질을 니켈판에 담아서 생산했다. 소결판은 보통 포켓형보다 훨씬 얇아 볼륨당 표면적이 더 크고 전류가 더 높다. 일반적으로 배터리에서 반응성 물질 표면적이 많을수록 내부 저항이 낮아진다.
2000년대 이후, 모든 소비자 Ni-Cd 배터리는 '스위스 롤' 또는 '젤리 롤' 구성을 사용했다. 이 디자인은 원통형 모양으로 롤링된 양극 및 음극 소재의 여러 층이 통합되어 있다. 이러한 설계는 각 셀의 활성 물질과 접촉하는 전극의 양이 많기 때문에 내부 저항을 감소시킨다.
참고자료
같이 보기
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