니켈-아연 전지
 AA 및 AAA 크기의 니켈-아연 전지 | |
| 비에너지 | 100 W·h/kg |
|---|---|
| 에너지 밀도 | 280 W·h/L |
| 비출력 | > 3000 W/kg |
| 에너지/소비자 가격 | 2–3Wh/US$ |
| 명목 셀 전압 | 1.65 V |
니켈-아연 전지(영어: Nickel–zinc battery, Ni-Zn 전지 또는 NiZn 전지)는 니켈-카드뮴 전지와 유사한 이차 전지의 한 유형이지만, 더 높은 1.6 V의 전압을 가진다.
더 큰 니켈–아연 전지 시스템은 100년 이상 알려져 왔다. 2000년 이후 안정화된 아연 전극 시스템의 개발로 이 기술은 상업적으로 이용 가능한 다른 이차 전지 시스템과 경쟁할 수 있게 되었다. 다른 일부 기술과는 달리, 트리클 충전은 권장되지 않는다.
역사
[편집]1901년 토머스 에디슨은 충전식 니켈-아연 전지 시스템에 대한 미국 특허 684,204를 부여받았다.[1]
이 배터리는 나중에 아일랜드 화학자 제임스 J. 드럼(1897~1974)에 의해 개발되었고,[2] 1932년부터 1949년까지 더블린-브레이 철도 노선에서 사용하기 위해 4개의 2량 드럼 동차 세트에 설치되었다. 성공적이었음에도 불구하고, 배터리가 소모되면서 철수되었다. 초기 니켈-아연 배터리는 소수의 방전-재충전 주기만을 제공했다. 1960년대에는 군용 은-아연 배터리의 대안으로 니켈-아연 배터리가 조사되었고, 1970년대에는 전기차에 다시 관심이 쏠렸다.[3] 에버셀(Evercel Inc.)은 니켈-아연 배터리의 여러 개선 사항을 개발하고 특허를 받았지만, 2004년에 이 분야에서 철수했다.[4]
응용 분야
[편집]니켈-아연 전지는 1.2 V의 NiCd 또는 NiMH 셀과 유사한 충방전 곡선을 가지지만, 더 높은 1.6 V의 공칭 전압을 가진다.[5]
니켈-아연 전지는 고전류 방전 응용 분야에서 우수한 성능을 보이며, 납 축전지를 대체할 잠재력을 가지고 있는데, 이는 동일한 전력 대비 질량 에너지 비율과 질량 전력 비율이 더 높기 때문이다. 즉, 동일한 전력에 대해 질량이 25%밖에 되지 않는다.[6] 니켈-아연 전지는 니켈-카드뮴 전지보다 저렴하며[6] 니켈-카드뮴과 납 축전지 사이의 가격대가 될 것으로 예상된다. 니켈-아연은 니켈-카드뮴의 대체제로 사용될 수 있다. 유럽 의회는 카드뮴 기반 배터리 사용 금지를 지지해왔다.[1] 니켈-아연은 전동 공구 및 기타 응용 분야에 좋은 대안이다. 단점은 약 30~50 사이클 후 자가 방전율이 증가하여 배터리가 새것처럼 오랫동안 충전 상태를 유지하지 못한다는 점이다. 이것이 문제가 되지 않는 경우, 니켈-아연은 고전력 및 고전압을 요구하는 응용 분야에 좋은 선택이다.[7]
전지 수명
[편집]수산화 카드뮴과 비교할 때 가용성 수산화 아연 이온(아연산염)이 용액에 용해되어 재충전 시 캐소드로 완전히 돌아오지 않는 경향은 과거에 니켈-아연 전지의 상업적 타당성에 어려움을 제기했다.[1][3] 아연 이차 전지의 또 다른 일반적인 문제는 전극 형상 변화와 덴드라이트 (또는 "수염")로, 이는 셀 방전 성능을 저하시키거나 결국 셀을 단락시켜 짧은 사이클 수명을 초래할 수 있다.
최근의 발전으로 이 문제가 크게 줄어들었다. 이러한 발전에는 전극 분리막 재료의 개선, 아연 재료 안정제 포함, 전해질 개선(예: 인산염 사용)이 포함된다. 파워제닉스(PowerGenix)는 NiCd 배터리와 유사한 배터리 사이클 수명을 주장하는 1.6V 배터리를 개발했다.[8]
배터리 사이클 수명은 일반적으로 정격 용량의 80% 방전 깊이와 1시간 방전 전류율을 가정하여 명시된다. 방전 전류 또는 방전 깊이가 감소하면 배터리의 충전-방전 사이클 수가 증가한다. Ni-Zn을 다른 배터리 기술과 비교할 때, 사이클 수명 비교는 사용된 방전율 및 방전 깊이에 따라 달라질 수 있다.
장점
[편집]니켈-아연 셀은 완전히 충전되었을 때 1.85볼트의 개방 회로 전압과[9] 1.65 V의 공칭 전압을 갖는다. 이로 인해 Ni-Zn은 대부분의 이차 전지(대부분의 회로는 약간 높은 전압을 허용)의 1.2 V 대신 알칼리 전지의 1.5 V를 요구하는 전자 제품에 특히 적합하며, 일반적으로 알칼리 전지의 종단 전압을 넘어서면 제대로 작동하지 않는다. 1.2 V 이차 전지의 출력 전압은 완전히 방전되기 전에 이 지점까지 떨어진다.
다중 셀 배터리에 사용할 때, Ni-Zn 셀의 더 높은 전압은 동일한 전압에 대해 NiCd 및 NiMH보다 적은 셀을 필요로 한다. 이들은 낮은 내부 온저항 (일반적으로 5 밀리옴)을 가지며, 이는 최대 50C의 높은 배터리 방전율을 허용한다. (C는 Ah 단위의 배터리 용량을 1시간으로 나눈 값이다.)
더 강력하고 최대 800 사이클의 수명을 가진 새로운 셀은 리튬 이온 전지의 대체제가 될 수 있다.
니켈-아연 배터리는 수은, 납, 카드뮴 또는 금속 수소화물을 사용하지 않으며, 이들은 모두 재활용하기 어려울 수 있다.[10] 니켈과 아연은 모두 자연에서 흔히 발견되는 원소이며, 완전히 재활용될 수 있다. NiZn 셀은 가연성 활성 물질이나 유기 전해액을 사용하지 않으며, 후기 설계에서는 덴드라이트 문제를 줄이는 고분자 분리막을 사용한다.
적절하게 설계된 NiZn 셀은 매우 높은 전력 밀도와 우수한 저온 방전 성능을 가질 수 있으며, 거의 100%까지 방전되고 문제 없이 재충전될 수 있다. 2017년 기준[update] F 크기까지, 그리고 50Ah/프리즘 셀로 사용할 수 있다.
아연은 지구 지각에서 24번째로 풍부한 저렴하고 풍부한 금속이며, 건강에 위험하지 않다. 일반적인 산화는 +2이므로, NiMH 배터리처럼 전하 및 방전이 1개 대신 2개의 전자를 이동시킨다.
충전
[편집]니켈-아연 전지용 충전기는 셀당 완전히 충전되었을 때 1.85 V의 전압을 가진 배터리를 충전할 수 있어야 하며, 이는 NiMH의 1.4 V보다 높다. NiZn 기술은 빠른 재충전 주기에 매우 적합하며, 최적의 충전 속도인 C 또는 C/2가 선호된다.[11]
알려진 충전 방식으로는 셀 전압이 1.9 V에 도달할 때까지 C 또는 C/2의 정전류로 충전하는 방식이 있다. 한 제조사[12]는 셀 전압이 1.9 V에 도달할 때까지 C/4에서 C의 정전류로 충전한 다음, 충전 전류가 C/40으로 감소할 때까지 1.9 V의 정전압으로 계속 충전할 것을 권장했다.
최대 충전 시간은 2009년에 약 3시간으로 명시되었다.[11] 일단 충전되면, 재결합이 제공되지 않으므로 지속적인 트리클 충전은 권장되지 않으며, 과도한 수소가 결국 배출되어 배터리 사이클 수명에 악영향을 미친다. 일부 NiZn 배터리 충전기는 배터리가 완전히 충전된 후 트리클 충전하지 않고 차단된다고 명시하고 있다.[13]
화학
[편집]- (−) 전극: Zn + 4 OH−
Zn(OH)42− + 2e− (E0 = −1.2 V/SHE )
- 전해질: KOH
- Zn(OH)42− Zn(OH)2 + 2OH−
- Zn(OH)2 ZnO + H2O
- Zn(OH)42−
- (+) 전극: 2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e− 2 Ni(OH)2 + 2 OH− (E0 = +0.50 V/SHE)
- 총 반응: Zn + 2 NiO(OH) + H2O ZnO + 2 Ni(OH)2
- 기생 반응: Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ 가 나 다 "Building A Better Battery", Kerry A. Dolan, Forbes.com, 포브스 magazine, 11 May 2009, Retrieved 2011-02-12, Forbes-44.
- ↑ “Famous Irish Chemists: James J. Drumm”. 《Ul.ie》. 2012년 7월 22일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 7월 1일에 확인함.
- ↑ 가 나 David Linden (ed)., Handbook of Batteries, McGraw Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, chapter 31.
- ↑ Evercel financial statement 2007 보관됨 7 3월 2016 - 웨이백 머신, Evercel.com, page 9, Retrieved 23 November 2010.
- ↑ Battery-meter-problem, NiZn discharge curves and camera voltage cutoffs, PentaxForums.com
- ↑ 가 나 “Nickel Zinc”. 《EnerSys.com》. EnerSys. 2015년 7월 13일에 확인함.
- ↑ Thomas, Justin (2012년 3월 16일). “A Review of NiZn Batteries”. 《MetaEfficient.com》. inSync Theme. 2020년 8월 10일에 확인함.
- ↑ "A Brief History of Battery Developments", PowerGenix.com, 2010, Retrieved 12 February 2011. 보관됨 25 2월 2011 - 웨이백 머신
- ↑ [1] New NiZn batteries offer lightning-fast recycle
- ↑ “안전 데이터 시트: 니켈 아연 배터리 (셀) 크기: Sub-C 및 각형”. 《ZincFive》. 2019년 5월 24일. 2020년 8월 10일에 확인함.
- ↑ 가 나 “PowerGenix NiZn 급속 충전기”. 《Powergenix.com》. 2009. 2016년 4월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서.
- ↑ “Nickel-Zinc Charging Instructions”. 《Zincfive》. 2019년 6월 5일에 확인함.
- ↑ “UPStealth NEMA 배터리 패널”. 《ZincFive (이전 PowerGenix)》. 2017. 2017년 2월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서.