생필품이 된 배터리의 동작원리, 종류 알아보기

배터리는 전기를 저장하고 필요할 때 공급하는 장치로, 우리의 일상생활과 산업에 필수적인 역할을 합니다. 휴대전화, 노트북, 전기차, 태양광 발전 등 다양한 분야에서 배터리의 수요가 증가하고 있습니다. 하지만 배터리의 성능, 안전성, 가격, 환경영향 등에는 여전히 개선의 여지가 있습니다. 이 글에서는 배터리의 기본 원리와 종류를 소개하고, 최근의 배터리 시장동향과 미래 전망을 살펴보겠습니다.

배터리의 원리

배터리는 양극과 음극, 그리고 전해질로 구성되어 있습니다. 양극과 음극은 각각 금속이나 화학물질로 만들어져 있으며, 전해질은 전기를 전달하는 매개체로 액체나 고체가 될 수 있습니다. 배터리는 양극과 음극 사이에 화학반응이 일어나면서 전기를 발생시킵니다. 양극에서는 전자를 놓치는 산화반응이 일어나고, 음극에서는 전자를 받는 환원반응이 일어납니다. 이때 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 이동하면서 전기를 흘리게 됩니다. 전해질은 양극과 음극 사이에 이온을 이동시켜주어 전하의 균형을 유지합니다.

배터리는 한 번 사용하면 폐기하는 일회용 배터리와, 충전하면 다시 사용할 수 있는 충전식 배터리로 나눌 수 있습니다. 일회용 배터리는 양극과 음극 사이의 화학반응이 일방적으로 진행되어 전기를 발생시키는데, 이 반응은 되돌릴 수 없습니다. 따라서 일회용 배터리는 전기가 다 소모되면 폐기해야 합니다. 충전식 배터리는 양극과 음극 사이의 화학반응이 양방향으로 진행될 수 있습니다. 즉, 배터리를 사용하면서 전기를 발생시키는 방향의 반응과, 외부에서 전기를 공급받으면서 반응을 되돌리는 방향의 반응이 가능합니다. 따라서 충전식 배터리는 전기가 다 소모되어도 다시 충전하면 사용할 수 있습니다.

배터리의 종류

배터리의 종류는 양극과 음극, 전해질의 재료에 따라 다양하게 구분할 수 있습니다. 대표적인 배터리의 종류로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

알카라인 배터리

양극은 아연, 음극은 망간산화물, 전해질은 알칼리 용액으로 구성된 일회용 배터리입니다. 일반적인 건전지로 널리 사용되며, 고용량, 고압, 긴 수명, 낮은 자가방전률 등의 장점이 있습니다. 하지만 고온에 약하고, 충전이 불가능하며, 폐기물로 인한 환경오염이 우려됩니다

출처-픽사베이

니켈-카드뮴 배터리

양극은 카드뮴, 음극은 니켈 수산화물, 전해질은 알칼리 용액으로 구성된 충전식 배터리입니다. 고전압, 고출력, 고온에 강하고, 충전과 방전이 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만 용량이 작고, 메모리 효과가 있으며, 카드뮴이라는 유해물질을 사용한다는 단점이 있습니다.

출처-네이버

니켈-수소 배터리

양극은 수소 흡수합금, 음극은 니켈 수산화물, 전해질은 알칼리 용액으로 구성된 충전식 배터리입니다. 니켈-카드뮴 배터리보다 용량이 크고, 메모리 효과가 적으며, 카드뮴을 사용하지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 고가이고, 자가방전률이 높으며, 고온에 약하다는 단점이 있습니다.

출처-네이버

리튬이온 배터리

양극은 리튬을 함유한 금속 산화물, 음극은 탄소, 전해질은 유기 용액으로 구성된 충전식 배터리입니다. 용량이 크고, 전압이 높고, 자가방전률이 낮으며, 메모리 효과가 없다는 장점이 있습니다. 하지만 고온에 약하고, 충전과 방전을 반복하면 성능이 저하되며, 과충전이나 과방전 시 폭발 위험이 있습니다.

출처-네이버

리튬폴리머 배터리

양극과 음극은 리튬이온 배터리와 같으나, 전해질은 고분자로 구성된 충전식 배터리입니다. 리튬이온 배터리보다 더욱 용량이 크고, 전압이 높으며, 얇고 가벼운 형태로 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 제조비용이 높고, 고온에 약하며, 과충전이나 과방전 시 폭발 위험이 있습니다.

출처-네이버

리튬이온 배터리와 리튬폴리머 배터리의 시장 점유율은 각각 40%와 30%로, 전체 배터리 시장의 70%를 차지하고 있습니다.


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