2차 전지 비교하기 리튬 이온 배터리와 니켈 카드뮴 배터리

2차 전지 비교 : 리튬 이온 배터리와 니켈 카드뮴 배터리

 최근 지구온난화 등 환경 문제로 인하여 탄소중립 등 화석 연료를 줄이기 위하여 노력하고 있습니다. 2차 전지는 전기 자동차에서 재생 에너지 시스템에 이르기까지 이 탄소 중립의 중요한 대안이 되며 환경 문제를 개선하기 위한 중요한 기술입니다. 이러한 2차 전지의 화학적 특성을 이해하는 것은 배터리의 성능, 수명 및 안전성을 높이는데 매우 중요한 요소입니다. 2차 전지가 에너지를 저장하고 방출하는 방법을 포함하여 2차 전지의 화학 작용 등에 대하여 알아보겠습니다.

 

배터리 화학기술의 기초지식 이해

 2차 전지는 작동원리를 간단하게 요약하면, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 화학 장치입니다. 화학반응을 통하여 에너지를 저장하며, 일반적으로 전해액에 의해 분리된 양극재와 음극재에 의해 이루어집니다. 두 전극 사이의 회로가 닫히면 화학반응이 일어나 전자를 방출하고 전류를 생성합니다. 이차 전지의 특정 화학적 성질은 납축전지, 리튬이온전지, 니켈카드뮴전지 등의 종류에 따라 달라집니다. 각 유형의 배터리는 고유한 특성을 가지고 있으며 서로 다른 금속과 전해질의 조합을 사용함으로 구분되고 있습니다.

 

리튬 이온 배터리의 이해

 현재 가장 인기를 끌고 있는 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도와 긴 수명, 낮은 자가 방전율의 특징을 가진 이차전지의 일종입니다. 이는 배터리는 스마트폰, 노트북 및 태블릿과 같은 휴대용 전자 장치에 일반적으로 사용됩니다. 하지만, 기술의 발달로 인해 전기 자동차와 신재생 에너지 시스템에도 사용되고 있습니다. 리튬 이온 전지의 양극은 일반적으로 리튬 금속 산화물, 예를 들어 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2 O4) 또는 리튬 철 인산화물(LiFePO4)로 구성됩니다. 음극의 경우 일반적으로 흑연 또는 다른 탄소계 물질로 만들어집니다. 전해액은 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6)와 같은 리튬염이 유기 용매에 용해되어 있습니다. 배터리가 충전되면 양극의 리튬 이온이 추출되어 전해질을 통해 음극으로 이동하여 탄소계 물질에 저장됩니다. 이러한 화학적 프로세스는 외부 회로를 통해 흐르는 전자를 방출하고 전류를 생성합니다. 이때 배터리가 방전될 경우 리튬 이온이 음극으로 다시 이동하여 저장된 에너지를 방출합니다. 리튬 이온 배터리의 주요 장점 중 하나는 높은 에너지 밀도입니다. 이는 상대적으로 작은 패키지에 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 특징으로 인하여 휴대용 전자 장치에 사용하기에 적합합니다. 또한 리튬이온 배터리는 수명이 비교적 길고 자가 방전율이 낮기 때문에 재충전할 필요 없이 장시간 사용이 가능합니다. 하지만, 리튬 이온 배터리는 또한 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 납 축전지와 같은 다른 유형의 이차 전지에 비해 상대적으로 비싼 점입니다. 리튬이온 배터리가 과충전 되거나 과열 관리가 제대로 이루어지지 않을 경우 열폭주가 발생하여 배터리에 불이 붙거나 폭발할 수 있는 단점이 있습니다. 따라서 높은 기술력이 필요한 산업입니다.

 

니켈-카드뮴 배터리의 이해

니켈-카드뮴 전지(NiCad battery)는 우리의 일상에서 수년간 사용되어 왔습니다. 높은 에너지 밀도와 고출력 전달 능력으로  휴대전화와 전동 공구와 같은 휴대용 전자 장치에 일반적으로 사용되었습니다. 하지만, 최근에 리튬 이온 배터리로 대체되고 있는 추세입니다. 니켈-카드뮴 전지의 양극은 일반적으로 수산화 니켈로 구성된 반면, 음극은 카드뮴으로 구성되어 있으며 전해액은 수산화칼륨으로 구성됩니다. 배터리가 충전되면 양극의 수산화니켈이 음극의 카드뮴과 반응하여 수산화니켈과 수산화카드뮴을 형성하게 됩니다. 이 반응을 통하여 외부 회로를 통해 흐르는 전자를 방출하고 전류를 생성합니다. 배터리가 방전될 경우 양극의 산화니켈이 음극의 수산화카드뮴과 반응하여 원래 반응물을 변형시키게 되니다. 니켈-카드뮴 배터리의 주요 장점을 살펴보겠습니다. 짧은 시간 동안 고출력을 전달할 수 있다는 것으로, 고출력이 필요한 전동 공구와 같은 장비에 적합합니다. 또한 니켈-카드뮴 전지는 수명이 비교적 길고 과충전에 상대적으로 효율적인 특징이 있습니다. 하지만, 니켈-카드뮴 전지도 몇 가지 단점이 있습니다. 리튬 이온 배터리와 같은 다른 유형의 이차 전지에 비해 상대적으로 무겁고 에너지 밀도가 낮을 수 있습니다. 게다가, 니켈-카드뮴 전지는 환경적으로도 문제가 있는 독성이 있는 중금속인 카드뮴을 포함하고 있습니다. 니켈-카드뮴 전지가 제대로 폐기되지 않으면 카드뮴이 환경으로 방출되어 오염과 건강에 해를 끼칠 수 있습니다.