현시대의 배터리는 작게는 보조배터리부터 하이브리드, 전기자동차까지 두루두루 이용 되고 있습니다. 보조배터리의 경우 5000mAh, 이런 용어가 무엇을 뜻하는지 알아보겠습니다.
1. 전류 [Current, A]
배터리는 전기에너지를 저장했다가 필요할 때 쓸 수 있도록 합니다. 전기에너지는 전하를 띤 입자들의 흐름인 '전류'
가 흐르면서 발생합니다. 즉, 전자의 흐름이 전류인 것입니다. 전류의 크기를 나타내는 단위는 A(암페어) 입니다.
V=IR 옴의 법칙에 따라 전압과 전류는 서로 비례하여 전압이 클수록 전류도 커지고 전압이 작으면 전류도 작아집니다.
2. 전압 [Voltage, V]
전자는 배터리의 음극과 양극 사이에 존재하는 전위(전기적 위치 에너지)차이로 움직입니다. 전압은 2개의 물질 사이에 존재하는 전위의 차이를 의미합니다. 단위는 V(볼트) 입니다.
예를들어 폭포를 생각해보시면 높은곳에서 낮은곳으로 물이 흐릅니다. 하지만 높이차이가 없다면 흐르지 않지요. 전전자의 이동도 마찬가지입니다.
양극과 음극사이의 전위차가 0이라면 전류가 흐르지 않고, 서로 다른 물질이여서 전위의 차이가 생긴다면 전류가 흐르는 것이죠. 따라서 배터리의 전압이 크다는것은 양극, 음극의 전위차가 크다는 것을 의미합니다.
3. 용량 [Capacity, Ah=A(전류) x h(시간)]
용량은 배터리에 전기에너지를 얼마만큼 저장할 수 있는지를 나타내는 지표입니다.(저장되는 전자의 수) 따라서 배터리를 얼마만큼 사용할 수 있는지와 관련된 지표인것이죠. 배터리 용량의 단위는 Ah(암페어)이며, 단위에서도 알 수 있듯이 A(전류)Xh(시간) 입니다.
예를들어 1A의 전류를 2시간(Hours) 흘릴 수 있다면 용량은 2Ah인 것입니다. 용량이 2Ah라면 2A의 전류를 흘릴경우 1시간 사용할 수 있다는 얘기입니다.
특히 전기자동차(EV)에서 이 용량이 무척 중요합니다. 바로 주행거리와 직접적인 연관이 있기 때문인데요, 용량이 클수록 배터리를 오래 사용할 수 있으니 주행거리가 늘어나게 됩니다.
배터리의 크기를 키우지 않고도 용량을 키우는게 무척 중요합니다. 어떻게 할 수 있을까요? 바로 음극활물질의 소재를 바꾸는 겁니다. 한번에 많은 전자를 방출할 수 있거나, 많은 전자를 저장 할 수 있도록 하는 것입니다.
최근 배터리들은 음극활물질에 흑연을 사용합니다. 그 이유는 환원 전위가 낮기 때문에 아까 말씀드린 전위차 발생에 좋고요. 또한 리튬이온의 저장을 많이 할 수 있고 낮은 전자 화학 반응성, 저렴한 가격때문에 흑연을 음극재로 많이 사용하는겁니다.
하지만 이로는 부족해서 최근에는 음극재로 실리콘을 활용할 수 있는 방안을 연구중입니다. 실리콘은 기존 흑연보다 에너지밀도가 4배나 높습니다.
그에 반해 실리콘 소재 특성상 부피팽창이 발생해 조직이 빨리 파괴되어 수명이 짧다는 단점을 가지고 있습니다. 이를 극복하는 여러 연구를 진행중이지만 아직까지 양산을 성공하진 못했습니다.
4. 출력 [Power, W=A(전류) x V(전압)]
용량은 얼마나 저장할 수 있고 오래사용할 수 있는지를 나타냈다면, 출력은 한번에 얼마나 쓸 수 있는냐를 나타내는 겁니다. 단위는 W(와트) 입니다.
예를들어 같은양의 물이 들어있는 물컵 2개가 있습니다. A물컵은 한번에 왕창 붓고, 나머지 B물컵은 아주 조금씩 붓습니다. 그렇게 되면 두개의 컵속의 물을 다쓸때 까지의 시간은 당연히 A 물컵이 짧을 것입니다.
즉, 배터리에 똑같은 전자의 양이 저장돼 있어도 출력이 클 경우 한번에 많은 전자를 뽑아낼 수 있지만 사용시간이 짧아지고, 출력이 작으면 한번에 내보내는 전자는 적지만 사용시간이 길어집니다.
물통에 들어있는 물의 양이 에너지(용량)이라면 물을 붓는 양을 출력이라고 할 수 있는 것입니다. 우측 사진을 보시면 생수통에 물의 양이 많아 오래동안 쓸수 있지만 조금씩밖에 못내보내죠. 그에반해 왼쪽 컵은 물의 양은 적어 짧게 쓰지만 한번에 많은 양을 내보낼 수 있습니다.
출력은 하이브리드(HEV) 자동차에서 중요합니다. 하이브리드 차량은 전기로 주행하는 거리를 늘려 연비를 향상시키는 방식이 아닌, 저효율 구간에서의 엔진 동력을 보조와 회생제동에 의해서 연비를 향상시키는 방식입니다.
따라서 엔진보조가 필요한 순간에 한번에 에너지를 쏟아내는게 중요하기에 고출력 방전이 필요하고, 반대로 회생제동 및 엔진발전으로 재빠르게 충전해야 하기에 고출력 충전이 필요합니다.
5. IR(Internal Resistance)
IR은 바로 배터리의 내부저항을 의미하는 것입니다. 배터리의 내부저항은 제조 공정에서 물리,화학적인 크기 및 특성에의해 결정됩니다.
또한 배터리가 열화되면서 이 내부저항이 증가하게 되는데 V=IR에 따라 저항이 높으면 전압(내압)이 증가해 누액이 생길 수 있고 발열이 증가하게 됩니다. 내부저항이 높으면 그만큼 배터리 성능이 떨어지게 됩니다.
이러한 내부저항을 측정하는 방식중 하나가 DCIR(Direct Current Internal Resistence) 입니다. 배터리에 일정시간 동안 충방전 펄스를 가해주고 그때 변하는전압, 전류값을 옴의 법칙(R=(I/V))을 이용해 계산하여 환산하는 방식입니다.
가해주는 전류 및 시간은 ISO규격 등 각종 시험법에 정의되어 있습니다. 측정시간이 오래걸린다는 단점이 있지만 가장 원초적이며 정확한 방법입니다.
다음 포스팅에서는 리튬이온 배터리의 작동 원리에 대해 알아보겠습니다.
감사합니다.
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