배터리의 정의
배터리란 전해액에 담긴 두 개의 전극(양극과 음극)에서 전기화학반응이 일어나서 화학에너지를 전기에너지로 전환해 주는 장치로서 생성된 전기에너지를 외부로 연결된 회로에 공급해 주는 능력을 지닌 것이다. 배터리는 축전지(storage battery)라고 불리기도 한다.
배터리는 1차 전지와 2차 전지로 나누어지는데, 1차 전지는 사용 후에 다시 충전하여 사용할 수 없는 일회용 전지이며 2차 전지는 사용 후에 재충전하여 다시 사용할 수 있는 전지를 일컫는다.
이상적인 배터리란 에너지 밀도가 높고, 나쁜 환경 조건에서도 잘 견디며, 수명이 길 뿐만 아니라 안전하고, 응용분야가 폭넓으면서 재충전이 가능한 것이다.

배터리의 구조

배터리는 양극, 음극, 전해질 그리고 분리막이라는 네 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 첫째, 양극(cathode 또는 positive electrode)이란 외부 도선으로부터 전자를 받아서 활성물질(active material)이 환원되는 전극이다. 둘째, 음극(anode 또는 negative electrode)이란 활성물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극이다. 셋째, 전해질(electrolyte)이란 양극의 환원반응과 음극의 산화반응이 화학적 균형을 이루어 물질이 이동하도록 하는 매개체 역할을 하며 두 전극 사이에서 이온을 전달하는 역할을 하는 것이다. 넷째, 분리막(separator)이란 양극과 음극이 물리적으로 접촉하는 것을 방지하는 격리막이다.

1차 배터리는 처음 배터리 속에 저장되어 있던 에너지가 고갈되면 버리는 전지이다. 1차 배터리도 어느 정도 충전이 가능하지만 충전할 때에 기체가 발생하기 때문에 위험하다. 따라서 1차 배터리는 재사용할 수 없는 일회용(disposable) 전지이다. 1차 전지의 종류는 망간 건전지, 알카리 전지, 리튬1차전지, 산화은 전지, 공기아연전지, 알칼리 버튼전지 등이 있다.

건전지
소형 1차 전지의 시작은 바로 건전지이다. 건전지의 구조는 다음 그림과 같이 아연 용기 속에 이산화망간(MnO2) 가루, 염화암모늄(NH4Cl) 포화용액의 반죽을 넣고 그 속에 탄소 막대를 꽂아 넣은 것이다. 기전력은 1.5 V이다.

양극의 전극에서 환원반응의 결과로 수소기체가 생성되는 데 이것을 그대로 두면 수소기체가 전자의 흐름을 막아서 기전력이 떨어지는 분극현상이 발생한다. 따라서 이산화망간을 넣어주어서 수소기체(H2)를 물(H2O)로 바꾸어줌으로써 수소를 제거해주어서 분극현상을 방지한다. 이와 같이 분극현상을 막는 이산화망간과 같은 물질을 소극제라고 한다.

알칼리 전지
알칼리 전지는 건전지에서 전해액을 KOH 수용액으로 바꾸어서 큰 에너지를 내도록 한 것이다. KOH를 전해액으로 사용한 이유는 전해액 중에서 가장 이온 전도도가 좋기 때문이다. 2차 세계 대전 중에 군용으로 사용하기 위하여 이산화망간(MnO₂)을 수은, 산화은 등으로 교체한 소형 알칼리 전지들이 개발되었다. 이 후에 전자 손목시계의 보급과 함께 수은 전지, 산화은 전지 등과 같은 이름으로 여러 종류의 버튼 전지(button cell)들이 사용되었다. 이와 같은 알칼리 전지의 기전력은 1.0~1.5 V 정도이다.

리튬(Li) 1차전지
리튬 전지의 특징은 높은 전압이다. 일반적으로 기존의 1차 전지가 1.5 V 정도의 전압을 내는데 비하여 리튬 1차 전지는 3.0 V의 전압을 낸다. 리튬 1차전지는 양극의 종류에 따라 네 가지로 분류된다. 첫째, 리튬/싸이오닐 클로라이드 (Li/SOCl₂) 전지, 둘째, 리튬/이산화황 (Li/SO2) 전지, 셋째, 리튬/이산화망간 (Li/MnO₂) 전지, 넷째, 리튬/불화탄소 (Li/(CF)n) 전지. 이 중에서 리튬/이산화망간 전지가 자동카메라 등에 많이 사용되는 상업적으로 성공한 전지이다. 그러나 이산화망간의 수분문제가 걸림돌이 되었는데 일본의 산요(Sanyo)에서 이 문제를 해결하였다. 산요의 리튬/이산화망간 1차 전지는 조립법이나 내부 구조와 같은 부분에서 리튬 이온 전지의 시초라고 할 수 있다.

2차 배터리의 종류와 특징
소형 2차 배터리
소형 2차 배터리는 1960년대에 유럽에서 상용화되기 시작하였는데 현재 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등과 같은 다양한 전자기기에 사용되고 있다. 현재 상용화된 배터리에는 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 니켈-수소(Ni-MH), 그리고 리튬 이온(Li-ion) 전지가 있다. 니켈-카드뮴 전지와 니켈-수소 전지와 같은 소형 2차 배터리가 납-산 전지와 같은 대형 2차 배터리와 구별되는 가장 큰 차이점은 전해질로 알칼리 수용액을 사용한다는 것이다. 납-산 전지에서 사용하는 황산보다 수산화칼륨과 같은 알칼리 수용액이 전기 전도성이 더욱 우수하다. 니켈-카드뮴 전지의 전압은 1.2 V인데 전지를 다 사용하기 전에 충전을 하면 메모리 효과(memory effect) 때문에 다음 충 방전 시에 용량이 감소하는 현상이 발생한다. 이러한 메모리 효과가 발생하는 이유는 카드뮴(Cd) 금속 고유의 특성 때문이다. 카드뮴 금속의 결정이 방전과 충전을 하는 과정에서 결정구조가 변하는데 이 과정에서 메모리 효과가 발생한다.

대형 2차 배터리
대형 2차 배터리는 2차 세계 대전 중에 유럽에서 개발되었는데 납축전지(Leac Acid Battery)와 대형 니켈-카드뮴(Ni-Cd Battery)가 있다. 또한 대형 2차 배터리를 용도에 따라 분류하기도 한다. 첫째, SLI (Starting, Lighting and Ignition)인데, 자동차에 사용되는 납축전지가 대표적인 예이다. 그리고 비행기에는 보다 고급인 니켈-카드뮴 전지가 사용된다. 골프장과 같은 곳에서 사용되는 전기 자동차에도 납축전지가 사용된다. 둘째, UPS (Uninterrupted Power Supply) 전기 공급이 끊겼을 때 비상조치로서 기기장치에 전원을 공급하기 위하여 사용되는 전지로서 납축전지가 여러 개 조합된 형태로 사용된다. 그리고 이외에도 기타 여러 용도로 사용된다.

방전(Discharge) 원리
방전이란 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 과정을 말한다. 높은 곳에 놓여 있는 물체가 위치 에너지를 가지는 것과 마찬가지로 전자나 이온도 전기장의 영향에 의해서 일종의 위치에너지와 같은 에너지를 갖는다. 이와 같은 것을 전위(potential)이라고 한다.

화학에너지를 전기에너지로 바꾸기 위하여 전해질 용액 내에서 양극에서는 환원반응이 일어나고 음극에서는 산화반응이 일어난다. 이 두 가지 전기화학반응은 동시에 진행되며 이 두 반응이 갖고 있는 전위의 차이가 반응을 진행시키는 추진력(driving force)으로 작용한다.

방전이 일어나는 동안 음극에서는 산화 반응이 진행되고 그 결과로 생성되는 전자를 도선을 통하여 외부로 공급하게 된다. 그리고 양극에서는 외부 도선으로부터 공급되는 전자를 받아서 환원 반응이 진행된다. 이와 같은 산화 반응과 환원 반응은 동시에 일어나는 전기화학반응이다.

충전(Charge) 원리
충전이란 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 과정을 말하며 방전의 역반응에 해당한다.
충전과정에 대한 원리를 아래에 나타내었는데 방전할 때에 음극 위쪽에서 전자가 양극 쪽으로 흘러갔었지만, 충전할 때에는 양극 쪽에서 음극 위쪽으로 전자들이 거슬러 올라간다. 이처럼 양극에서 음극으로 전자들이 거슬러 올라가도록 하기 위하여 외부에서 전기에너지를 배터리에 공급해 준다.

디지털 카메라, 캠코더, 노트북 컴퓨터, 자동차 등과 같은 다양한 전자기기를 사용하는 현대 생활 속에서 활용되고 있는 배터리의 종류와 특징을 살펴보자.

자동차용 배터리 (납 배터리)
자동차용으로 사용되는 배터리는 납축전지인데, 과산화납(PbO2)과 해면상납(Pb)을 전해액(38 % 황산용액, 비중 1.28) 속에 담그면 이온화 경향이 큰 해면상납이 음극이 되고, 이온화 경향이 작은 과산화납은 양극이 되어 전기화학반응이 일어난다. 기전력은 약 2 V 정도이다.

1) 방전

2) 충전
충전은 방전의 역과정이며, 충전기나 차량 발전기를 사용하여 전기에너지를 화학에너지로 바꿔주는 것을 말한다.

(주의사항) 충전 중에는 물이 전기분해 되어 양극에서 산소기체, 음극에서 수소기체가 발생하기 때문에 폭발과 화재의 위험이 있으므로 절대 화기접근을 피해야 한다.

제 1 역할
차량의 시동(starting), 점등(lighting), 점화(ignition) 기능내용시동전류는 엔진의 스트로크(stroke)와 보어(bore), 실린더 수, 엔진과 시동모타의 비율 그리고 회로저항 및 온도, 엔진오일의 점도 및 악세서리의 저항에 의존하기 때문에 엔진시동을 위한 배터리는 차량마다 각기 다르다.

제 2 역할
차량의 전기 부하가 공급 장치의 용량을 초과할 경우 여분의 에너지 공급원의 역할내용일반적인 주행 중에는 충전 장치가 전원을 공급하나 엔진이 공회전일 경우 배터리가 일부의 전원을 공급하는 보조역할을 수행한다. 특히 도심을 주행 중이거나 가다서는 운행조건에서는 배터리 소모량이 심하며, 만일 충전기가 고장일 경우 배터리가 차량의 모든 전원을 공급한다.

제 3 역할
전기장치의 안정화 (과전압에 의한 차량 전기장치의 보호)내용전기장치에서 대단히 높은 과전압이 순간적으로 발생할 경우에 전기회로에 치명적인 단락이 생길 수 있으므로 배터리는 이를 줄이거나 흡수하여 충격을 완화하는 역할을 한다.

3) 겨울철 배터리 성능저하
자동차 배터리의 기본적인 역할은 엔진시동인데 엔진을 점화하고 점화계통을 활성화하기 위해 충분한 전압을 일정하게 유지하는 동안 크랭크축을 회전시키고 짧은 시간 동안에 고율의 방전 전류를 요구한다. 그러나 배터리의 성능은 다음 그래프에 나타낸 것처럼 온도에 크게 영향을 받는다. 온도가 낮은 겨울철에 엔진요구량은 증가하는데 반하여 배터리의 성능은 현저히 저하되므로 자동차 시동이 어려워지기도 한다. 따라서 배터리가 방전된 상태에 있거나 전해액이 얼어 있지 않은지 자주 점검해 주어야 한다.

노트북 컴퓨터나 디지털 카메라용 배터리
최근에 노트북 컴퓨터나 디지털 카메라용 배터리뿐만 아니라 휴대폰, PDA, 캠코더 등과 같은 다양한 모바일 기기장치들에 여러 종류의 배터리가 사용되고 있다. 이러한 모바일 기기의 소형화와 경량화를 위해서 중요한 요소 중의 하나가 배터리의 소형화와 경량화 및 높은 에너지 밀도화 기술이다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여 개발된 모바일 기기용 2차 전지는 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬 이온 배터리 순으로 발전해왔다. 이 중에서 리튬 이온 배터리는 기존의 니켈카드뮴 배터리와 니켈수소 배터리가 지닌 문제점들인 충전과 방전 특성과 사이클 특성의 불안정, 자기방전, 고용량화 및 기억효과 등의 문제점들을 대부분 해결한 것이다.

리튬이온 배터리의 특징은 첫째, 에너지 밀도가 높아서 니카드 배터리나 니켈수소 배터리의 절반 정도의 질량을 갖는다. 둘째, 높은 작동 전압(3.7 V)을 발생시키는 데 이것은 니카드나 니켈수소 배터리 3 개를 직렬로 연결해 놓은 것과 같은 전압이다. 셋째, 가능출력이 높아서 1.5 CmA까지 연속적으로 방전할 있다(1 CmA은 배터리의 용량을 한 시간 동안 모두 충전 또는 방전하는 전류임). 넷째, 금속 리튬을 사용하지 않으며 카드뮴, 납 또는 수은과 같은 오염물질을 사용하지 않는 무공해 배터리이다. 다섯째, 정상적인 조건하에서 500회 이상 충전 및 방전 수명을 가진다. 여섯째, 기억효과가 없다. 그리고 일곱째, 전용충전기를 사용하여 1~2 시간 내에 충전을 완료할 수 있다.

리튬이온 폴리머 배터리
휴대폰이나 디지털 카메라 등과 같은 모바일 기기의 배터리로 사용되고 있는 리튬 이온 배터리의 전해질이 액상이고 리튬이라는 원소가 불안정한 전자구조를 가지기 때문에 최근 충격에 의해 여러 차례 폭발 사고가 발생하였다. 따라서 이러한 안전성을 향상시키기 위하여 리튬 이온 배터리의 액체 상태인 전해질을 젤 상태의 폴리머로 대체한 리튬이온 폴리머 배터리가 개발되고 있다.

기본적인 배터리의 작동원리나 구조는 리튬 이온 배터리와 같고 리튬 이온 배터리의 단점인 누액과 폭발의 위험성을 없앤 것이라 할 수 있다. 리튬이온 폴리머 배터리의 단위 셀당 전압은 3.7 V인데 이것은 니켈 카드뮴 배터리나 니켈 수소 배터리의 평균전압보다 약 3배정도 큰 값이다. 그리고 사용하지 않은 상태에서 방전되는 비율은 상온에서 한 달에 약 5% 정도이다.

니켈 배터리
기존의 알칼라인 건전지의 5배 성능을 가진 니켈 배터리가 일본 도시바에 의해 최근에 개발되었다. 지금까지 사용해오던 1차 배터리의 성능을 향상시키기 위해 사용된 방법인 알칼리 방식에서 미래형 방식인 니켈 방식으로 바뀌어 가고 있다.

니켈 배터리는 고출력을 얻는데 역점을 두고 개발된 미래형 1차 배터리로서 전극은 옥시 수산화 니켈을 사용하였고 이것을 고밀도로 정렬한 다층 구조 형태를 가진다. 그리고 알칼리 배터리에서 단점으로 지적되었던 저온에서 배터리 성능이 떨어지는 것을 니켈 배터리에서 대폭 개선되었다. 니켈 배터리는 0도에서 기존의 알칼리 배터리보다 약 17배 정도의 지속 시간을 갖는다.

이와 같은 니켈 배터리는 디지털 카메라, 휴대용 CD 플레이어, 게임기 등 고출력을 요구하는 모바일 기기의 배터리로서 오랜 시간 동안 사용할 수 있다. 그러나 니켈 배터리의 경우 사용 후 폐기되었을 때에 중금속 오염에 의한 환경오염 문제를 유발할 수 있기 때문에 이 문제를 향후 해결해야한다.

연료 전지
차세대 휴대용 전원공급 장치로 주목을 받고 있는 배터리 중 하나가 연료 전지이다. 이 연료전지는 자가발전기와 같은 것으로서 충전할 필요가 없다. 초기에 사용된 연료전지는 공기와 수소를 연료로 사용하였다. 발전효율은 40~60 %로 높으며 이것은 내연기관의 3배에 해당한다.

연료전지는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 출력이 적더라고 휴대용으로 사용할 수 있는 제품과 출력이 크고 대형 설비나 자동차에 사용할 수 있는 제품으로 구분된다. 미국의 에너지 릴레이티드 디바이스와 미국의 맨하탄 언티픽스의 공동 그룹 등에서 개발하고 있는 출력이 수십 W 수준으로 작은 소형이지만 얇은 연료 전지로 개발되는 제품들은 주로 휴대 기기에 탑재할 수 있다. 그리고 전기 자동차와 같은 곳에 탑재할 목적으로 개발되는 대형 연료 전지는 출력이 수~수십 KW 정도 된다.

일본의 마쓰시다 전기는 몇 년 전에 수소 가스를 연료로 사용하는 크기가 10×15.5×15.5cm이고 중량이 2.6kg인 노트북용 연료 전지를 시험 제작하였는데 출력은 6.5 W이다. 이 연료전지는 1회 연료 공급으로 노트북 컴퓨터를 약 7시간 동안 연속으로 사용할 수 있다.

현재 연료전지 개발은 수소 가스를 사용하던 방식에서 발전하여 좀더 다루기 쉽고 크기를 작게 할 수 있다는 장점을 지닌 메탄올을 사용하는 방식이 개발 중에 있다.