축전지 구성요소와 기능

축전지의 구조와 원리 이해

 

축전지의 구조와 원리 이해하기

 

축전지의 충전과 방전

축전지의 충, 방전 작용으로는 축전지의 (+), (-)의 두 단자 사이에 부하를 접속시키고 축전지로부터 전류를 흐르게 하는 것을 방전이라 하고, 반대로 충전기나 발전기 등의 직류 전원을 접속하여 축전지에 전류를 공급하는 것을 충전이라 한다. 방전 또는 충전을 하면 축전지 내부에서는 (+) 극판과 (-) 극판, 전해액 사이에 다음과 같은 화학반응이 일어난다. 방전이란 양극판의 과산화 납은 방전하면 과산화 납 중의 산소가 전해액의 수소와 결합하여 물이 생성되며, 과산화 납 중의 납은 전해액의 황산기와 결합하여 황산을 생성하여 백의 황산납이 된다. 음극판의 해면상 납도 양극과 같이 황산기와 결합하여 황산납이 된다. 이와 같이 방전시키면 양극과 음극의 두 극판에는 황산납이 형성되고, 전해액은 황산분이 감소되고 생성된 물에 의하여 묽어진다. 따라서 방전이 진행됨에 따라 전해액의 비중은 저하되고 극판은 황산납으로 변하여 극판 사이의 도체가 되는 전해액은 물이 되기 때문에 축전지의 내부저항은 증가하고 전류는 점점 흐르기 어렵게 된다. 전해액의 비중은 방전량에 직선적으로 비례하여 감소하므로 전해액의 비중을 측정하면 축전지의 방전 상태를 알 수 있다. 충전은 방전과는 반대로 축전지에 충전 전류가 흐르게 되면 방전에 의하여 황산납으로 변한 양극판과 음극판의 작용물질은 황산기와 납으로 분해되고 전해액도 산소와 수소로 분해된다. 이때 분해된 황산기와 수소가 결합하여 황산을 만듦과 동시에 전해액으로 돌아간다. 따라서 전해액의 황산 농도가 증가하여 비중이 상승된다. 이러한 상태가 계속되면 양극판은 과산화 납으로, 음극판은 해면상 납으로 된다. 마지막으로 충전된 축전지는 무부하의 상태에서도 자연적인 방전이 일어나는데 이와 같은 현상을 자기 방전이라 한다. 자기 방전은 환경에 따라 다르나 예를 들면 전해액의 비중이 높을수록 주위의 온도와 습도가 높을수록 방전량이 크다. 자기 방전은 다음과 같은 원인에 의하여 일어난다. 첫째로는 전해액 중의 불순 금속에 의해 국부전지가 구성되는 경우, 두 번째로 축전지 표면에 전기회로가 형성되어 전기가 누설되는 경우, 마지막은 이탈한 작용물질이 축전지 내부의 아랫부분이나 옆면에 퇴적하거나, 격리 비판이 파손되어 양극판이 단락 된 경우 결론적으로 자기 방전에서 특히 주의할 것은 장시간 사용하지 않을 경우 자기 방전에 의한 과도한 방전이다. 이 과도한 방전으로 인한 셀 페이션을 일으키면 완전 회복이 곤란하며 다시 사용하지 못하는 경우가 있다. 셀 페이션이란 축전지를 방전 상태로 방치해두면 극판 표면에 유백색의 결정이 생기는데 이 결정은 황산납이며, 이와 같은 현상을 부을 환성 황화현상 또는 셀 페이션이라 한다. 이 셀 페이션 상태가 진행되면 충전해도 극판은 본래의 과산화인 해면상으로 환원되지 않는다.

축전지의 용량과 수명

축전지의 용량은 완전 충전된 축전지를 일정한 전류로 연속 방전하여 방전 중의 단자 전압이 방전 종지 전압으로 도달할 때까지 축전지가 방출하는 총전기량을 말하며, 극판의 수, 면적, 두께, 전해액량 들에 따라 달라진다. 축전지 용량 = 방전전류 x 방전시간, 여기서 방전 시간이란 완전 충전상태에서 방전 종지 전압까지의 연속 방전하는 시간을 말하며, 이것을 암페어 시 용량이라 하고 Ah(ampere hour)의 단위를 쓴다. 축전지의 용량은 동일한 축전지라도 방전 전류의 크기가 클수록 방전 시간은 짧아지고, 방전전류가 작을수록 방전 시간은 길어진다. 일반적으로 자동차용 축전지는 20 시간율(완전 충전 상태에서 방전 종지 전압까지 도달하는 시간이 20시간)로 용량을 표시하며, 그 용량은 대략 80~150AH 정도이다. 그리고 축전지의 수명은 사용 기간이 오래될수록 용량이 저하되고, 자기 방전량이 많아져서 사용할 수 없게 된다. 축전지 수명에 가장 큰 영향을 끼치는 요인으로는 양극판에 도포된 작용물질의 탈락을 들 수 있다. 작용물질은 충전 또는 방전에 따라 팽창과 수축이 일어나서 결합력이 약한 과산화 납이 형성되고, 음극판은 해면상 납이 수축에 의하여 다공성을 잃어서 수명이 단축된다. 축전지는 다음과 같은 요인에 의해 수명이 단축될 수 있다. 충전 부족으로 인한 셀 페이션, 과충전에 의한 온도 상승, 격리판의 열화, 양극판 격자의 균열, 음극판의 페이스트 연화. 과방전에 의한 음극판의 완만한 셀 페이션 등으로 요약할 수 있다.