전기 09 > 자동차 축전지 구조와 충방전

1. 자동차용 축전지의 역할

    기관이 정지해 있을 때 전장품에 전기를 공급하는 전원으로, 기관 시동시 시동 전동기 및 예열 장치의 전원으로 사용된다. 또한, 자동차의 주행 조건에 상응하여 발전기 출력과 부하의 균형을 조정하는 역할을 한다.

2, 축전지의 종류

      축전지는 전해액과 두 극판 재질의 종류에 따라  납산 축전지, 알칼리 축전지 등이 있으며, 자동차용으로는 납산 축전지가 주로 사용된다.  납산 축전지는 양극판에 과산화납, 음극판에 해면상 납, 전해액으로 묽은 황산을 사용하는 축전지이다.

양·음극판의 격자에 안치몬의 함량을 감소시키거나 안티몬을 전혀 사용하지 않고 칼슘(Ca)을 첨가한 내식성의 특수 합금 격자를 사용한 것을 MF(maintenance free) 축전지라 한다. MF 축전지는 비중 측정 및 전해액 보충을 하지 않도록 한 무정비 축전지로 자기방전이 적고 과충전이 되지 않게 한 것이다.

알칼리 축전지로는 양극판에 니켈(Ni), 음극판에 카드뮴(Cd), 전해액으로 수산화칼륨(KOH) 알칼리 용액을 사용한 니켈-카드뮴 축전지가 사용된다.

▶ 전지의 종류 : 1차 전지 : 한 번 사용하면 다시 사용할 수 없는 전지로 건전지라 한다. 2차 전지 : 방전한 다음 다시 충전하여 전지로서의 기능을 회복할 수 있는 가역성의 전지로 축전지라 한다.

3. 납산 축전지의 구조

    납산 축전지는 케이스 내부에 독립된 전지인 6개의 셀(cell)로 되어 있고, 이들을 직렬로 접속한 것이 12[V]용 축전지이다. 각 셀에는 그림 Ⅲ-3과 같이 여러 장의 양극과 음극의 극판, 격리판 및 유리 섬유 매트와 전해액이 들어 있다.

1) 극판 : 극판으로는 주로 납과 안티몬의 합금으로 된 격자(grid)에 과산화납(PbO₂)을 부착한 양(+)극판과 해면 모양의 다공성 납(Pb)을 부착한 음(-)극판이 있다. 극판은 여러 장을 겹쳐서 한쪽을 셀 스트랩(cell strap)으로 연결하고 있으며, 극판의 수가 많을수록 전기 용량은 증가한다.

2)  격리판 : 격리판(separator)은 양극판과 음극판의 단락을 막기 위하여 두 극판 사이에 넣은 판이다. 격리판은 부도체로서 내산성, 내진성이 크고 전해액이 잘 통하는 다공성이어야 한다. 현재에는 강화 섬유 격리판이나 합성 수지 격리판 등이 많이 사용된다.

3)  유리 섬유 매트 ; 양(+)극판의 과산화납은 결합력이 약하여 떨어지기 쉽기 때문에 이것을 방지할 목적으로 양극판의 양면에 유리 섬유 매트(glass mat)를 압착하여 붙여 끼워 넣은 것이다.

4)  케이스 : 축전지 케이스는 합성 수지 등으로 되어 있다. 12[V] 축전지는 6개의 셀(cell)로 되어 있으며, 이 속에 극판군, 격리판, 유리 섬유 매트를 넣고 케이스와 같은 재질로 된 커버를 덮어 밀봉시킨다. 셀마다 커버 중앙에는 전해액이나 증류수를 주입하는 액 주입구가 있으며, 액 주입구를 막은 플러그에는 충전할 때 내부에서 발생하는 가스를 방출하기 위한 통기 구멍이 뚫려 있다.

5)  단자  ; 축전지의 커버에는 +단자와 -단자가 설치되어 있으며, +단자의 지름이 -단자의 지름보다 크다.

6) 전해액 : 전해액은 증류수로 희석시킨 순도가 높은 무색, 무취의 묽은 황산 용액으로 황산 이온(-)과 수소 이온(+)으로 분리되어 존재한다. 묽은 황산에 포함된 불순물은 자기 방전을 증가시키거나 축전지의 수명을 단축시키는 등 나쁜 영향을 끼치므로, 되도록 불순물이 혼입되지 않는 것이어야 한다.

▶ 전해액의 비중 전해액의 비중은 축전지가 완전 충전 상태일 때, 1.240, 1.260, 1.280의 세 종류로, 열대 지방에서는 1.240, 온대 지방에서는 1.260, 한대 지방에서는 1.280의 것을 사용하는 등 기온에 따라 다르게 사용한다. 우리 나라에서는 일반적으로 1.260(20℃)의 것을 표준으로 하고 있다.

7) 전해액의 비중과 온도 : 배터리 전해액의 온도 변화에 따라 묽은 황산의 체적이 팽창 또는 수축하여 단위 체적당의 중량이 변화 되기 때문에 배터리 비중은 온도 변화에 달라진다. 전해액의 온도가 높아지면 배터리 비중은 분자 운동이 활발하여 낮아지고 전해액의 온도가 낮아지면 비중은 분자 운동이 둔화되어 배터리의 비중은 높아지는데  그 변화량은 온도 1℃ 마다 0.00074이다.  따라서 측정한 비중에 의하여 배터리의 충?방전 상태를 판단한 경우 표준 온도(20℃)일 때의 비중으로 환산하여야 하며, 환산하는 식은 다음과 같다

4. 축전지에서 충전·방전 작용

     축전지의 (+), (-) 두 단자 사이에 부하를 접속시키고 축전지로부터 전류를 흐르게 하는 것을 방전이라 한다. 반대로 충전기나 발전기 등의 직류 전원을 접속하여 축전지에 전류가 흘러들어가게 하는 것을 충전이라 한다. 방전 또는 충전을 하면 축전지 내부에서는 (+) 극판과 (-)극판, 전해액 사이에 다음과 같은 화학 반응이 일어난다.

1)  방 전 : 축전지가 방전하면 양극판의 과산화납은 과산화납 중의 산소가 전해액의 황산 중의 수소와 결합하여 물을 생성한다. 과산화납 중의 납은 전해액의 황산기와 결합하여 황산납으로 된다. 한편, 음극판의 해면 모양의 납도 양극과 같이 황산납으로 된다.  이와 같이 방전시키면 음극과 양극의 두 극은 모두 황산납으로 되고, 전해액은 액 중의 황산기가 감소되고 생성된 물에 의하여 묽어진다. 따라서, 방전이 진행됨에 따라 전해액의 비중이 저하된다. 전해액의 비중은 그림 Ⅲ-15와 같이 방전량에 따라 직선적으로 감소하므로 전해액의 비중을 측정하면 축전지의 방전 상태를 알 수 있다. 측정한 전해액 비중으로부터 방전량을 구하는 식은 다음과 같다.

2. 충 전 : 외부의 직류 전원으로부터 축전지에 충전 전류가 흐르게 되면, 그림 Ⅲ-16과 같이 양극판과 음극판의 황산납은 황산기와 납으로 분해되고, 전해액 중의 물도 산소와 수소로 분해된다. 이렇게 분해된 황산기와 수소가 결합하여 황산을 만들어서 전해액의 농도가 증가하여 비중이 높아진다. 또, 양극판은 과산화납(PbO₂), 음극판은 해면상의 납으로 된다.

5. 축전지의 충·방전 특성

1) 충·방전 특성 : 방전 중의 단자 전압은 방전이 진행되면서 점차로 내려가다가 어느 한계점에 이르면 급격히 저하되어 방전 끝 전압에 이른다. 또한 충전시에는 전압 상승을 하다가 최고값에 도달한 후는 충전을 하여도 전압이 더이상 상승되지 않는다.

2) 방전 끝 전압  : 축전지는 그림 Ⅲ-18과 같이 어느 한도까지 방전되면 전압이 급격히 떨어진다. 어느 한도를 넘어서 계속 방전시키면 전압이 너무 낮아질 뿐 아니라 다시 충전하여도 원상태의 기능을 가질 수 없다. 이것은 한계 전압 이하로 방전하면 황산납이 활성 물질의 작은 구멍들을 막아서 화학 변화가 일어나기 어렵게 되기 때문이다. 방전 한계 전압을 방전 끝 전압이라 하며, 셀당 방전 끝 전압은 1.75 [V]이다.

3) 축전지의 자기 방전  : 충전된 축전지가 무부하 상태에서 자연적으로 방전되는 현상을 축전지의 자기 방전이라 한다. (1) 자기 방전의 원인

① 전해액 속에 있는 불순물, 금속 등에 의해 국부적으로 전지가 형성될 때
② 축전지 표면에서 전기 회로가 형성되어 전류가 흐를 때
③ 축전지 내부의 작용 물질이 하부 측면에 축적되든지, 격리판이 파손되어 양극판이 단락되었을 때

4) 자기 방전량  : 자기 방전량은 위에서 말한 원인의 정도에 따라 다르나, 일반적으로 전해액의 온도가 높을수록 크게 된다. 또한 자기 방전량은 날짜가 경과할수록 많아지나, 그 비율은 충전 후의 시간이 경과할수록 작아진다. 자기 방전의 증가를 피하려면 되도록 축전지를 어둡고 통풍이 잘 되는 장소에 두는 것이 좋으며, 직사 광선에 노출되지 않는 장소에 보관한다. 축전지를 방전 상태로 오래 두었을 때, 극판 표면에 우유빛의 부도성 황산납 결정이 생기는 현상을 황화 현상이라 한다. 이러한 현상이 나타나면 충전을 하여도 작용 물질은 본래의 과산화납이나 해면상의 납으로 되돌아가지 않아 축전지를 충전시킬 수 없게 된다.

6. 축전지의 용량과 수명

1) 축전지의 용량  : 완전 충전된 축전지를 일정 전류로 연속 방전시켜 방전 중의 단자 전압이 방전 끝 전압에 도달할 때까지 축전지에서 나오는 총 전기량을 축전지의 용량이라 한다. 축전지의 용량은 극판의 장수, 넓이, 두께, 전해액의 양에 따라 다르며, 다음의 식으로 나타낸다.

▶ 축전지의 용량[Ah] = 방전 전류[A] × 방전 시간[h]

동일한 축전지라도 방전 전류의 크기에 따라 축전지 용량은 달라진다. 즉, 방전 전류가 크게 되면 축전지의 용량은 적어지고, 방전 전류가 작아지면 용량은 많아진다. 그러므로 축전지의 용량을 방전 시간으로 표시하는 것을 시간율이라 한다. 10시간 방전율이란, 완전 충전 상태에서 방전 끝 전압에 이를 때까지 10시간 걸리는 방전 전류의 크기를 말한다. 보통 자동차용 축전지는 20시간율, 2륜차용은 10시간율로 용량을 표시하고 있다. 또한 전해액의 온도에 따라 축전지의 용량이 변하여 그림 Ⅲ-19와 같이 전해액의 온도가 낮을수록 용량이 저하된다.

2) 축전지의 수명 : 축전지는 오래 될수록 용량이 저하되고, 자기 방전량이 많아져서 사용할 수 없게 된다. 수명에 가장 큰 영향을 끼치는 요인으로는 양극판 작용 물질의 탈락이다. 작용 물질은 충전과 방전에 따라서 팽창과 수축이 반복해서 일어나 결합력이 약한 과산화납이 생성된다. 또, 음극판은 해면상의 납이 수축에 의하여 다공성을 잃어서 수명이 단축된다. 이 밖에도 기계적 진동에 의한 극판의 파괴, 황화 현상, 격리판의 변형, 과충전, 과방전, 충전 중의 전해액 온도 상승, 취급 방법 불량 등 여러 가지 요인에 의하여 축전지 수명이 짧아진다.