방전 기구
방전은 배터리에서 전기를 꺼냅니다.
1차 또는 2차 전지에서 전기화학 반응이 일어나 이러한 반응에 의해 전자가 방출된다.
배터리의 전기화학 반응에 의해 어떻게 전기가 발생하는지 설명합니다.
배터리에는 양극과 음극이 있습니다.
캐소드는 산소와의 결합에 의한 산화 반응에 의해 전자를 방출한다.
한편, 양극에서는 전자를 흡수하여 환원 반응이 일어난다.
즉, 캐소드에서 생성된 잉여 전자는 애노드에서 발생하는 환원 반응에 의해 빠진 전자를 보충하기 위해 이동한다.
각 전극에서 발생하는 산화 환원 반응은 전극의 재질과 전해액에 따라 다르다.
이러한 화학 반응은 반응에 필요한 물질이 없을 때까지 계속됩니다.
즉, 배터리는 완전히 방전될 때까지 전기를 계속 생성할 수 있습니다.
충전 메커니즘
한편, 충전은 재사용을 위해 배터리에 전기를 보내는 것입니다.
완전히 방전된 배터리에서 배터리의 물질은 전기화학 반응 없이 화학 평형을 유지합니다.
그러나, 양극으로부터 전기를 끌어내고, 음극에 전자를 주는 화학 반응을 일으켜, 방전 전의 상태로 돌아갈 수 있다.
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방전에 의해 양극에서는 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 환원 반응이 일어난다.
외부 전원으로부터 전송된 전자는 충전식 배터리로 역전기 화학 반응을 일으킨다.
한편, 1차 전지는 충전할 수 없습니다.
화학 반응이 비가역적이거나 가역 반응이라도 충전에 비용이 들기 때문에 일회용이다.
충 방전시의 화학 반응과 전기적 특성
충방전시의 화학반응의 예와 다양한 전지의 전기적 특성을 「전기화학」이라는 용어로 소개합니다.
우선, NiMH(니켈 금속 수소화물 전지)를 예로 축전지 내부의 화학 반응에 대해 설명합니다.
NiMH는 양극에 니켈산 화합물을, 음극에 수소 흡장 합금을 사용한다.
충전하는 동안, 애노드에서 수산화물 이온으로부터 물 분자가 생성된다.
물 분자는 캐소드로부터 수소 원자 및 수산화물 이온으로 분해되고, 수소 원자는 수소 저장 합금에 저장된다.
화학 반응식은 다음과 같다(M은 수소 저장 합금을 의미함).
방전하면, 양극에서는 수분자로부터 수산화물 이온이 생성되어, 전해질 내에서 양극으로부터 음극으로 이동한다.
음극으로 전달된 수산화물 이온은 수소 저장 합금으로부터 수소 이온을 받아 물 분자로 되돌아간다.
화학 반응 방식은 다음과 같습니다.
이 반응을 전기화학 평형식으로 나타내면 다음과 같다.
이 두 번째 줄은 전기화학반응에 표준 전극 전위 E 0으로 작성됩니다.
배터리의 전기적 특성은 이론적으로 전위를 생성할 수 있는 표준 전극 전위로 설명될 수 있다.
전기는 배터리의 화학 반응에 의해 생성됩니다.
그리고 공급되는 전기량은 배터리의 종류에 따라 다릅니다.
원자와 분자가 개별성을 갖도록 생성된 전자의 에너지도 전기화학 반응에 의존한다.
이론 기전력은 애노드와 캐소드 재료의 조합으로 인한 전위차로 정의됩니다.
이것은 표준 전극 전위입니다.
이에 따라 각 극에서 발생하는 전자의 에너지는 SHE(Standard Hydrogen Electrode)로 측정된 전위로 정의됩니다.
“vs. SHE”는 “SHE 표준”을 의미한다.
예를 들어, 리튬 이온 축전지의 경우, 정극에 리튬 코발타이트(LiCoO2), 부극에 탄소를 사용하여 리 에서 전자를 추출하면 SHE와의 전위차는 +0.87V입니다.
양극은 -2.83이고 음극은 -2.83입니다.
표준 전극 전위는 SHE에 대해 0.87 – (-2.83) = 3.7V입니다.
마찬가지로 NiCd(니켈-카드뮴) 배터리의 경우 1.32V 대 SHE, NiMH 배터리의 경우 1.55V 대 SHE입니다.
그러나 NiCd 전지와 NiMH 전지의 EMF는 약 1.2V로 이론치보다 약간 낮다.
자동차 전지에 많이 사용되는 납 축전지의 경우, 양극에는 이산화납(PbO 2 ), 음극에는 납 (Pb)을 사용한다.
그러면 양극 SHE 기준의 표준 전극 전위는 1.70, 음극은 -0.35가 되면 SHE에 대해 2.0V 정도가 됩니다.
이 값은 납 축전지의 기전력 공칭값과 거의 일치한다.
각 전지의 표준 전극 전위를 표 1에 정리한다.
자, 기전력을 어떻게 개선해야 하는가? 리튬 이온 배터리의 경우, Li가 전자를 방출하는 전위는 SHE에 비해 약 -3.0V이기 때문에 이론적 한계에 거의 도달했다.
따라서 잠재력을 긍정적으로 끌어올릴 수밖에 없다.
또 다른 옵션으로, 하나의 배터리를 “셀”이라는 단위로 취급합니다.
여러 셀을 직렬로 연결하면 전압을 높일 수 있습니다.
예를 들어, 납 축전지의 경우는 1셀이 2V이므로, 자동차용 12V 배터리의 경우는 6셀을 직렬로 접속한다.
노트북에서도 마찬가지입니다.
예를 들어, EMF는 10.8V 드라이브의 경우 3개의 리튬 이온 배터리를 직렬로 연결하여 구현됩니다.
마지막으로 메모리 효과에 대해 설명합니다.
NiCd 및 NiMH 배터리의 경우 완전히 방전되기 전에 배터리를 재충전하면 메모리 효과로 인해 배터리 전압이 떨어집니다.
이전 방전 상황의 영향에 따라 메모리 효과라고 합니다.
완전히 방전하기 전에 충전하면 디지털 카메라와 같은 고전압이 필요한 장비의 경우 작동에 필요한 전압을 얻을 수 없습니다.
이것은 완전 방전으로부터 회복되는 것으로 알려져 있지만, 메모리 효과가 존재하는 이유는 불분명하다.
한편, 리튬 이온 배터리는 메모리 효과가 없으며 반복 사용에 적합합니다.
그러나, 양극과 음극 모두가 전극 구조 재료의 간극에 Li+가 들어가는 인터컬레이션 반응이 일어난다.
그 결과, 전극 재료가 충전 및 방전에 의해 약간 팽창 및 수축한다.
그러나 다른 배터리보다 안정적입니다.
인터컬레이션 반응에 의해 전지의 구조가 붕괴되는 경우는 거의 없다.
그러나, 과충전 또는 과방전이 반복적으로 사용되는 물질은 침전된 금속 리튬에 의해 파손 및 팽창한다.
이로 인해 리튬 이온 배터리를 사용하는 스마트폰의 배터리 팩이 팽창하여 발화하거나 폭발할 수 있습니다.