배터리 기술의 진화

배터리 기술의 진화

 

 

 

 

배터리 시리즈
1 부 : 배터리 기술의 진화

 

배터리 시리즈는 투자자가 원재재 공급과 수요, 미래 응용을 포함한 최신 배터리 기술에 대해 알아야 할 사항을 탐구하는 다섯 부분으로 구성된 인포그래픽 시리즈 입니다. 

 

 

 

 

 

배터리 시리즈 소개

 

오늘날 우리가 에너지를 저장하는 방법은 우리가 에너지를 만드는 방법만큼이나 중요합니다.

 

배터리 기술은 이미 전기 자동차를 가능하게 하고, 비상전원을 저장하고, 위성을 움직이고, 휴대용 전자 장치를 사용하도록 도와줍니다.

 

가까운 미래에, 당신은 배터리에 의해 움직이는 비행기에 탑승하거나 밤에 태양 에너지에 의해 움직이는 도시에 살 수도 있을 겁니다.

 

배터리 시리즈는 배터리 작동 방식, 시장의 플레이어, 배터리를 만드는데 필요한 재료 및 향후 배터리 개발이 전세계에 미칠 수 있는 영향을 조사하는 다섯 부분으로 구성된 인포그래픽 시리즈입니다. 이것은 배터리의 기본과 배터리 기술의 역사를 살펴 보는 1 부 입니다.

 

배터리 기본 사항

배터리는 저장된 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다. 배터리에는 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 

 

( - ) 음극 : 음극이 산화되어 전자를 방출합니다.

( +) 음극 : 전자를 획득함으로써 양극이 감소합니다.

 

역자 추가 - 보통 충전시에는 양극에서 음극으로, 방전시에는 음극에서 양극으로 이동하며 음극과 양극이 접촉하는 것을 막는게 분리막입니다. 

 

전해질 (Electrolyte) : 셀의 음극과 양극 사이에 이온 수송 메커니즘을 제공하는 매체. 액체 또는 고체 일 수 있습니다.

 

가장 기본적인 수준에서 배터리는 매우 간단합니다. 사실, 원시 배터리는 구리 동전, 아연 도금된 못 그리고 레몬 또는 감자로 만들 수도 있습니다.

 

배터리 기술의 진화

단순한 배터리를 만드는 것은 매우 쉽지만 어려운 점은 좋은 배터리를 만드는 것이 매우 어렵다는 것입니다. 전력, 무게, 비용 및 기타 요소의 균형을 유지하는 데는 많은 절충 사항이 포함되며, 과학자들은 오늘날의 효율성 수준에 도달하기까지 수백 년 동안 노력해 왔습니다.

 

다음은 몇 년 동안 배터리가 어떻게 바뀌었는지에 대한 간략한 역사입니다.

 

볼타 전지 (1799)

이탈리아 물리학자인 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta)는 1799년에 회로에 지속적인 전류를 공급할 수 있는 최초의 전기 배터리를 만들었습니다. 볼타  전지는 소금물에 적신 종이와 아연 및 구리를 사용했습니다.

 

그의 발명은 전기가 살아있는 존재에 의해서만 만들어 질 수 있다는 그간의 이론과 배치되는 것이었습니다.(역자 주 - 개구리다리에 칼이 닿자 경련이 일어나는걸 보고 미세한 경련이 생체전기에 의한 것이라고 주장한 갈바니와 그게 아니라 전위차에 의한 것이라고 주장한 볼타와의 논쟁을 의미)

 

다니엘 셀 (1836)

약 40년 후, 존 프레드릭 다니엘(John Frederic Daniell)이라는 영국 화학자가 Voltaic 파일의 "수소 버블" 문제를 해결할 새로운 셀을 만들었습니다. 기존의 문제점(볼타전지의)은 아연 전극 바닥에 모인 거품이 전지 수명을 단축시킨다는 것입니다. 

 

1836년에 발명된 다니엘 셀은 구리판은 황산구리 수용액을, 아연판은 황산아연 수용액에 담근 요기를 사용했습니다.

 

다니엘 전지의 전위는 1볼트(V)와 같은 전압의 기본 단위가 되었습니다.

 

납산 (1859)

납산 배터리는 1859년 프랑스의 물리학자인 Gaston Planté가 발명한 최초의 충전식 배터리였습니다.

 

납 축전지는 두 영역에서 탁월합니다. 매우 저렴한 가격에 높은 서지 전류(surge currents)를 공급할 수 있습니다. 이로 인해 오늘날의 기술로도 자동차 시동 모터에 적합하며 2014년에 447억 달러의 연 축전지가 전 세계적으로 판매 된 이유의 일부입니다.

 

니켈 카드뮴 (1899)

NiCd 배터리는 1899년 스웨덴의 Waldemar Jungner에 의해 발명되었습니다. 첫 번째 것들은 액체 전해질을 사용하는 연 축전지와 유사한 "습식 셀"이었습니다.

 

니켈 카드뮴 전지는 현대 기술을 위한 길을 닦는데 도움이 되었지만, 그들은 카드뮴의 유독성 때문에 덜 사용되고 있습니다. NiCd 배터리는 1990년대에는 매우 친숙했지만 유해성 때문에 이후 시장의 80%를 잃었습니다. 

 

알카라인 배터리 (1950년대)

듀라셀, 에너자이져와 같은 브랜드에서 널리 사용되는 알카라인 배터리는 리모콘에서 플래시 라이트에 이르기까지 일반 가정용 기기에 사용됩니다. 그들은 특별히 고안된 셀을 사용하여 충전식으로 만들 수 있지만 저렴하고 일반적으로 비충전식입니다.

 

현대의 알칼라인 배터리는 1950년대 캐나다 엔지니어 Lewis Urry에 의해 발명되었습니다. 전극에 아연과 망간 산화물을 사용했고 배터리 유형은 알칼리성 전해질, 즉 수산화 칼륨에서 이름을 얻습니다.

 

전 세계적으로 100억 개가 넘는 알카라인 배터리가 제조되었습니다.

 

니켈 - 금속 수소화물 (1989)

재충전용 NiCd 배터리와 마찬가지로 NiMH 제제는 유독 카드뮴 대신 수소 흡수 합금을 사용합니다. 이는 환경 친화적이며 에너지 밀도를 높여줍니다.

 

NiMH 배터리는 전동 공구, 디지털 카메라 및 기타 전자 장치에 사용됩니다. 그들은 또한 도요타 프리우스와 같은 초기 하이브리드 자동차에 사용되었습니다.

 

NiMH의 개발은 20년에 걸쳐 이루어졌으며 다임러 벤츠와 폭스바겐 AG가 후원했습니다. 상업적으로 이용 가능한 최초의 셀은 1989년이었습니다.

 

리튬 이온 (1991)

소니는 1991년 최초의 상용 리튬 이온 배터리를 출시했습니다.

 

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지며 다양한 용도에 맞는 많은 양극 포뮬레이션을 가지고 있습니다.

 

예를 들어, 리튬 코발트 이산화물 (LiCoO2) 음극은 랩탑 및 스마트폰에 사용되는 반면, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (LiNiCoAlO2) 음극 (NCAs라고도 함)은 테슬라 모델 S와 같은 차량의 배터리에 사용됩니다.

 

흑연은 양극에서 사용하는 일반적인 재료이며, 전해질은 유기 용제에 사용되는 리튬염의 일종입니다.

 

충전식 배터리 스펙트럼

비용을 포함하여 배터리 선택에 영향을 줄 수있는 몇 가지 요인이 있습니다.

 

그러나 충전식 배터리의 적합성과 사용을 결정하는 가장 중요한 두 가지 요소는 다음과 같습니다.

 

특정 에너지를 탱크안에 있는 물의 양과 같다고 생각해보세요 . 이것은 배터리가 총 보유하는 에너지의 양입니다.

 

한편, 특정동력은 물이 탱크에서 나오는 속도입니다. 즉 배터리가 주어진 용도로 공급할 수 있는 전류의 양입니다.

미래 차세대 배터리 기술로 나트륨 이온전지와 그래핀 배터리, 전고체 배터리 기술이 전기차배터리 업체들이 빠르게 기술 개발을 진행하고 있습니다. 국내 배터리 3사도 차세대 배터리 개발에 사활을 걸고 있습니다.