축전지의 구조와 원리

축전지의 기본적인 구조와 원리

축전지의 기본적인 구조

축전지의 기본 구조와 구성요소

일반적으로 축전지는 방전을 하였을 경우 재충전이 되지 않는 건전지와 같은 1차 전지와 방전을 한 후 전원에 의하여 재충전이 가능한 2차 전지로 구분한다. 이 2차 전지를 축전지라 하며, 축전지에는 납산 축전지와 알칼리 축전지가 있다. 자동차용 전원으로 사용하는 축전지는 납산 축전지로써 양극판에 과산화 납, 음극판에 해면 모양의 순수한 납을 넣어 전해액(묽은 황산 용액)과 극판 사이에 화학적 작용이 일어나도록 한 전지이다. 납산 축전지에도 극판의 형식에 따라 페이스트식, 클래드식, 듀를 식이 있으나, 자동차용으로는 페이스트 식이 이용되고 있다. 알칼리 축전지는 니켈-카드뮴 전지가 있는데 전해액으로 수산화칼륨-알칼리 용액을 사용한다. 먼저 납산 축전지의 구조에 대하여 알아보자. 납산 축전지는 상자형 케이스를 여러 개의 셀로 나누고, 각 셀마다 극판, 격리판 전해액이 들어 있는 구조로 되어 있다. 묽은 황산 용액을 전해액으로 사용하며 이온화 경향이 다른 두 금속을 양극과 음극 군으로 하여 양전극 사이에 전위차가 발생되어 전극 사이에 부하를 접속한 경우 전극과 전해액 사이에 화학반응이 일어나 전위가 높은 쪽(+)에서 전위가 낮은 쪽(-)으로 전류가 흐른다. 극판은 양극과 음극 모두 납-안티몬 합금판(격자)에 납산 화물의 분말을 묽은 황산으로 반죽한 작용물질이 도포되어 있다. 이와 같이 만들어진 극판은 화학작용으로 양극판은 과산화 납이 되고, 음극판은 해면상 납으로 된다. 극판은 여러 장을 겹쳐서 한쪽을 셀 스트랩으로 연결하고 있으며 극판수가 증가하면 용량이 증가하여 이용 전류가 많아진다. 두 극판은 서로 엇갈리게 조립되고, 비교적 결합력이 강한 음극판이 바깥쪽으로 양극판을 보호하도록 양극판보다 한 장 더 많다. 극판 한 장의 두께는 1.5~2.0미리 정도이다. 납산 축전지는 두 극 사이의 기전력이 2~2.2V이며, 한 쌍의 극판 군을 셀이라 한다. 축전지는 극판 군을 6개의 스트랩 포스트로 연결하여 12V로 만든다. 반면에 격리판은 두께 2미리 정도의 부도체로서, 양극판과 음극판의 단락을 막기 위하여 두 극판 사이에 넣는 판이다. 격리판은 산에 강하고 전해액을 잘 통하도록 다공성이어야 하며, 구멍이 미세한 고무판, 강화 섬유, 합성수지 등으로 만든다. 양극판의 작용물질은 결합력이 약하기 때문에 입자가 파괴되거나 진동에 대해 약하여 탈락되기 쉬우므로 이것을 방지하여 축전지의 수명을 연장할 목적으로 사용되는 것으로 유리 섬유의 매트이다. 유리 매트는 양극판의 양면으로부터 작용물질을 누를 수 있게 끼워져 있다.

축전지의 구성요소와 원리

전해액 같은 경우에는 증류수로 희석시킨 묽은 황산을 이용한다. 전해액의 비중은 축전지가 완전 충전 상태일 때, 1.240, 1.260, 1.280의 세 종류를 사용하며, 열대 지방에서 1.240, 온대 지방에서 1.260, 한랭지에서 1.280을 사용하는 등 기온에 따라 나누어 사용한다. 우리나라에서는 일반적으로 1.280(20℃)을 표준으로 하고 있다. 전해액의 비중은 온도 변화에 따라 변동한다. 그것은 묽은 황산의 체적이 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축하여 단위 체적에 대한 무게가 변화하기 때문이다. 즉, 온도가 높으면 비중은 낮아지고, 온도가 낮으면 비중이 높아지며 그 변화량은 1℃에 대해 0.0007이다. 따라서 측정한 비중을 가지고 축전지의 충방전 상태를 판단할 경우에는 표준 온도(20℃) 일 때의 비중으로 환산해야 한다. 그리고 축전지 케이스는 합성수지 또는 에보나이트 등으로 만들어지며, 극판 군과 전해액을 넣는 용기로서 충격에 강하고 내산성이 커야 한다. 12V의 축전지는 내부에 6개의 셀로 나누어지며, 극판 군을 각 셀에 넣은 다음 케이스와 동일한 재료로 만든 커버를 덮고 접착제 등으로 밀봉시킨다. 커버의 중앙부에는 각 셀마다 전해액을 넣거나 비중을 측정하기 위한 마개(벤트 플러그)가 있다. 마지막으로 단자는 납합금으로서 외부 회로와 확실하게 접속되도록 하기 위해 테이퍼 져 있으며 양극과 음극이 잘못 접속되는 것을 방지하기 위하여 문자, 색깔(적색•흑색), 굵기, 기호(+,-) 등으로 단자를 구분한다.