추억의 팁....

 - 충전지(2차전지)의 종류와 특징

2차전지는 전지를 구성하는 화학 물질에 따라 몇 가지로 나눌 수 있다.

  먼저, 가장 오랫동안 사용되어온 납전지를  들 수 있다. 주 재료로는 납과  황산으로 셀 (cell, 전지를 구성하는 기초 단위) 하나의 전압은 약 2V이다. 더 높은 전압을 요구하는 제품의 경우 2V 셀들을 직렬로 여러 개 연결하여서  필요한 전압을 얻는 방법으로 가동을 시킨다. 화학적 설명은 이 글의 성격과는 맞지 기 때문에 생략하기로 하고 용도에 대해 알아보겠다.

 납 전지의 가장 큰 용도중 하나는 소위 "빠떼리"로 불리우는 자동차용 충전지이다. 많은 자동차들이 아직도 가격적 측면을 무시할 수 없어서 납전지를 배터리로 사용하고 있는 실정이다. 그 이외 오래된 충전식 기기들이 납전지를 사용한다. 필자가 옛날에 사용한 A사의 카셋트 플레이어가 납전지를 사용했었다.

 납전지의 장점은 앞에서도 말한  바와 같이 가격이 상당히 싸다는 점이다. 주 재료인 납이 타 전지에 사용되는 주 재료에  비해 값이 꽤 싸기 때문이다. 그러나 장점만 있는 물건은 이 세상에 없는 법. 납 전지에는 치명적인 단점이  몇 가지 있다. 환경 오염 물질인 납을 사용한다는 점과 납을 사용하기 때문에 중량이 꽤 무거운 점, 그리고, 아주 추운  곳에서는 사용하기 힘들고, 출력이 줄어든다는 단점이 있다. 추운 겨울날 아침에 자동차 시동이 걸리지 않아서 당황했었던 사람이 많이 있었는데, 요즘은 많이 좋아졌지만, 옛날에는 꽤 자주 있었던 일이다. 바로 납 전지의 단점을 볼 수 있는 한가지 생활속 이야기이다. 그런 이유로 납전지는 예전에는 많이 사용이 되었지만, 가격이 싼데도 불구하고 근래에는 예전에 비해 사용 양이 많이 줄고 있다.

 다음은 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리에 대해 알아보겠다. 아직도 상당한 수의 니켈-카드뮴 배터리가 우리 주변에서 사용이 되고 있다. 니켈과 카드뮴이 사용이 되며 셀 하나의 전압은 약 1.2V. 혹시 이 글을  읽으시는 분께서 "워크맨"이나 휴대용 CD 플레이어를 가지고 있다면 배터리를  잘 살펴보길 바란다. Ni-Cd  라는 글자가 배터리에 있다면 그 배터리는 바로 니켈-카드뮴 배터리이다.

 Ni-Cd 배터리
         (Sanyo사 제품)

니켈-카드뮴 전지의 장점은 셀 전압이 1.2V라는 점이다. 일반적인 건전지가 셀 하나의 전압이 1.5V라는 점을 생각해 볼 때, 거의 근접한 전압을 제공한다는 말이다. 별 문제 없이 1.5V 건전지를 대체할 수 있다. 물론 전압에 민감한 제품은 대체가 불가능하지만. 휴대용 음향기기등에 많이 사용이 되나 점차 사용량이 줄어들고 있는 실정이다.

 원인은 두가지. "카드뮴"이라는 재료와 "메모리 이펙트" 때문. 카드뮴이라고 하는 물질. 일본인들은 이 물질에  대해 극도의 공포심을 가지고  있다. 핵무기 다음으로 두려워 하는 물질이 바로 카드뮴이다. 이따이 이따이 병을 유발하는 물질이기 때문이다. 니켈-카드뮴  배터리를 잘 살펴보시면 버리실 때 지정 취급점에 맡겨 달라고 하는 내용의 글을 볼 수 있다. 카드뮴이 든 배터리가 아무렇게나 버려져서 환경을 오염시키는 것을 막기 위한 자그마한 노력이다. 메모리 이펙트는 설명을 할 내용이 많기 때문에 잠시 뒤에 알아보겠다.

 세번째로 소개가 되는 주인공은 니켈-메탈 하이브리드 배터리 (Ni-MH Battery) 이다. 이 전지는 니켈-카드뮴 배터리와 동일하게 셀 하나가 약 1.2V의 전압을 발생시킨다. 셀 전압이 같다고 니켈-카드뮴 배터리와 같은 전지라고 생각하는 것은 잘못된 생각이다. 몇가지 점에서 니켈-카드뮴 배터리와 니켈-메탈 하이브리드 배터리는 다른 점이 있다.

 먼저, 에너지 밀도(단위 부피당 충전할 수 있는 에너지의 양)가 니켈-카드뮴 배터리에 비해 크다. 동일 부피나 동일 무게의 전지라면 니켈-메탈 하이브리드 전지의 용량이 니켈-카드뮴 배터리에 비해 더 큰 편이다. 그만큼 기기를 더 오랫동안 쓸 수 있다는 의미. 그리고 메모리 이펙트가 니켈-카드뮴 배터리에 비해 상대적으로 작다는 장점도 있다.

       Ni-MH 배터리
     (Fujitsu사 제품)

 워크맨이나 휴대용 CD 플레이어중 고급이라고 분류되는 기기들 (요즘은 저가형 기기들도 많이 사용을 하고 있다)과 노트북 배터리에 사용이 되지만, 요즘 나오는 노트북들은 니켈-메탈 하이브리드 배터리를 배터리로 사용하지 않는 추세이다. 더 좋은 배터리가 있기 때문. 그 배터리는 바로 다음 소개될 주인공.

 다음 주인공은 요즘 사람들의 관심을 모으고 있는 리튬-이온전지(Li-ion Battery)입니다. 요즘 많은 휴대용 기기들이 이 전지를 전원으로 사용합니다. 노트북과 핸드폰(손전화)이 가장 대표적인 예이고, 휴대용 MD 플레이어 중 일부 모델도 이 전지를 사용하고 있다.

 일단, 리튬의 성질 중 두 가지는 집고 넘어가야 할 것 같다. 무게부터 살펴보면, 리튬의 무게는 다른 금속들에 비해 꽤 가볍다. (금속 중 가장 가벼운 금속이다) 그렇기 때문에 리튬-이온전지의 무게는 같은 용량의 다른 전지에 비해 많이 가볍다. 나머지 하나는 리튬의 화학반응성은 상당히 좋다는 점이다. 리튬의 경우 상온의 공기중에 놓아두면 금방 표면이 산화(산소와 반응을 하는 화학변화)된다. 우리가 잘 아는 철이 공기중에서 녹스는 시간과 비교하면 그 반응성을 알 수 있다. 또한 리튬을 물에 떨어뜨리면 거의 "폭발"이라고 할 만한 격렬한 반응을 일으킨다. 이런 원인으로 실험실에서 리튬은 아주 조심스럽게 다루어진다.

 리튬-이온전지의 경우 셀 하나당 3.6V의 출력을 낸다. 참고로, 3.7V 출력을 내는 전지를 생산하는 회사도 있다. 전극에 사용하는 물질을 약간 바꾸어서 0.1V 더 높은 전압을 생성하는 것인데, 자세한 설명은 하지 않겠다.

  리튬-이온전지는 앞에서 설명한 충전지들에 비해 월등한  에너지 밀도를 자랑한다. (그렇지만, 알카라인 전지 앞에서는 주름을 잡지 못한다. 번데기 앞에서 주름잡기?) 같은  배터리 크기로 더 많은 전력을 충전해서 다닐 수 있다.  장시간 사용을 해야 하는 기기나 다른 기기에 비해 특별히 전력을 많이 사용하는 기기들에게는 앞의 다른 충전지보다 훨씬 유리한 점을 제공하는 전지이다. 옆의 그림은 니켈-카드뮴 전지 3개 용량을 비슷한 크기의 리튬-이온 전지 하나가 제공할 수 있음을 보여주고 있다. (일본 Sony사 웹 사이트에서 발췌)

다음으로는, 메모리 이펙트가 거의 없다는 점이다. 다른 전지에 비교하면, "없다"라고 말해도 좋을 정도로 메모리 이펙트가 적다. 그렇기 때문에 사용할 때 메모리 이펙트에 대한 걱정을 할 필요가 없다.

 그러나 이렇게 장점만 있을 것 같은 리튬-이온 전지도 단점이 있다. 바로 가격문제와 안정성 문제가 리튬-이온 전지의 발목을 잡는 원인이다. 리튬이라는 재료가 꽤 비싸다는 점도 있지만, 생산 방법이 꽤 복잡하고 까다롭기 때문에 가격이 타 전지에 비해 비싼 편이다. 몇 년 전까지만 해도, 리튬-이온 전지를 쓰는 기기들이 얼마 없었는데, 바로 리튬-이온 전지의 가격이 비쌌기 때문이었다. 안정성이 다른 전지에 비해 나쁘다는 점도 있다. 비정상적인 사용을 할 경우 전해액이 누출되어서 폭발을 할 위험이 있다. 물론, 전지 회사들이 이를 대비해서 전지에 안정화 회로를 추가하여 생산을 해서 비정상적인 사용시에도 전지를 보호하여 폭발을 할 위험성은 거의 0%라고 하지만 그래도 폭발물을 사용한다는 점은 조금 마음에 걸리는 부분이다.

 이 이외에도 많은 전지들이 있지만, 많이 사용을 하지 않기 때문에 여기서는 생략을 하겠다.