안녕하세요! 정리남입니다!^^
'이차전지'를 알아보면서, 간단한듯 하지만 조금 많이 헷깔리는 것이 있었습니다.
그래서 이번 포스팅은 배터리의 '용량, 에너지 밀도, 에너지양'에 대해 정리해 보고자 합니다.
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'그냥 뭐 모두 같은거 아니야?'
충전이 가능한 핸드폰이나 무선청소기 혹은 무선선풍기 등의 전자기기 등을 구매하기 위해 알아보다 보면, 반드시 확인하게 되는 사양이 있습니다. 그것은 바로 '한번 충전시 얼마나 오래 사용할 수 있느냐'에 대한 것인데요, 보통은 제품 스펙에 아래와 같이 '배터리용량(단위 : mAh)'과 '사용가능시간'을 알려주고 있습니다.
무심코 보고 지나치는 용어들이었는데, 이번이 이차전지 원리에 대해 원리를 공부할 때 '배터리용량'과 '에너지양' 그리고 '에너지밀도'를 한꺼번에. 그리고 다르게 사용되고 있는 상황에 조금 헷깔렸습니다. 직관적으로 보면, 그냥.. '셋 다 높으면 좋다' 라고 생각되는 비슷한 용어처럼 들리니까요. 물론 높으면 오래 사용할 수 있고 사용자 입장에서 좋은 것이 맞지만.. 이번 포스팅에서는 이 셋을 한번 구분해서 이해를 해보려 합니다.
***설명이 조금 길어질 수 있으니, 직관적인 구별이 필요하신 분들은 포스팅 맨 아래 '결론' 부분으로 내려가시면 될 것 같습니다!
배터리용량( = 전하용량, 단위 mAh )은 배터리가 가진 전자의 수!
'배터리용량'은 위에 무선 청소기의 스펙처럼, 어떠한 무선기기의 배터리의 스펙을 이야기할 때 대표적으로 표시되는 사양입니다. 여기에서 이 '용량의 의미'는 '배터리가 얼마만큼 많은 전기를 저장할 수 있는가'를 의미합니다. 전기는 '전류의 흐름'이며, 전류의 흐름은 '전자의 이동'을 통해 만들어 지기 때문에, '배터리가 얼마 만큼 많은 전기를 저장할 수 있는가'를 나타내는 이 말은, 배터리가 얼마나 많은 '전자'를 포함할 수 있는가(포함하고 있는가)를 이야기 하는 것과 같습니다.
(정리)
1. 전기
= 전류의 흐름
= 전자의 이동
2. 배터리 용량
= 배터리 내에 저장 가능한 전기의 량
= 얼마나 많은 전류를 흘릴 수 있는가
= 이동가능한 전자의 수가 얼마인가?
'전자의 수'는 '배터리의 물리적 크기'에 따라 달라진다.
그렇다면 이러한 배터리 용량을 늘리기 위해서는 어떻게 해야할까요? 이를 알기 위해, 먼저 배터리 구조와 함께 보충 설명을 드리고자 합니다. (이전 '이차전지구조' 포스팅과 함께 보시면 더욱 좋습니다. 여기 클릭)
배터리는 음극에 '머금고 있는 전자'들이 양극으로 이동하면서 전기를 만들어냅니다. 이를 '방전과정'이라 합니다. 그런데 애초에 이러한 '전자'를 가지고 있는 원자들은(=가령 리튬원자), 배터리내에 단독으로 존재하지 않고 어떤 다른 분자 구조 속에 포함되어 존재합니다. 예컨데, 배터리의 양극에는 리튬원자가 산소와 결합된 상태로 존재하고, 음극에서는 흑연속에 탄소6개마다 한개의 리튬원자가 저장되어 존재하는 것이죠.
**참고로, 이렇게 산소와 결합된 리튬원자(=리튬계산화물이라 함.) 또는 리튬원자를 저장해놓는 흑연을 '배터리의 충전과 방전에 실제 관여하는 물질이라 하여 각각 양극과 음극의 '활물질'이라고 합니다.
(정리)
전기는 전자의 이동이다.
이러한 전자는 리튬과 같은 원자에 애초에 포함되어 있었다.
따라서 배터리 양극과 음극에는 이러한 리튬원자가 있다. 하지만 홀로 존재하지 않고 다른 화합물과 결합되어 존재한다.
양극에는 리튬원자가 산소와 결합된 '리튬계산화물' 형태로 존재하고
음극에서는 리튬원자가 흑연 안에 저장된 상태로 존재한다.
이렇게 배터리의 충전과 방전이라는 화학반응에 직접적으로 관여하는 물질을 '활물질'이라 하며
양극 활물질은 '리튬계산화물'이되고, 음극 화물질은 '흑연'이 된다.
여기에서 기억하셔야 할 것은,
리튬과 같은 원자에 배터리 용량을 결정짓는 전자가 존재하는데, 이러한 리튬원자는 홀로 존재하지 않고 어떠한 다른 화합물 형태로 양극 또는 음극에 붙어 있다는 것입니다.
따라서 배터리 양극과 음극의 물리적인 면적 자체가 변하지 않는다면 이곳에 넣을 수 있는 리튬원자(또는 리튬원자에 붙은 전자)의 수는 증가될 수 없습니다. 하지만 배터리 크기가 동일하더라도 리튬원자와 결합되어 있는 화합물이 바뀌어 화합물의 부피를 줄일 수 있다면 더 많은 리튬원자를 포함시킬 수 있는 것입니다.
(정리)
배터리 양쪽 극의 면적이 동일
→ 리튬을 포함한 활물질의 갯수도 늘릴 수 없음
→ 전자를 내뱉을 수 있는 리튬원자 수도 늘릴 수 없음
→ 전자 개수는 매한가지
→ 전기용량 늘어나지 않음.
양쪽 극의 면적 커짐(=배터리의 크기가 커짐)
→ 리튬을 포함한 활물질을 더 많이 넣을 수 있음.
→ 이는 전자를 내뱉을 수 있는 리튬원자 수가 늘어나는 것.
→ 이는 전자 개수가 늘어 난다는 것.
→ 전기용량이 커짐.
양쪽 극의 면적이 동일하나, 활물질의 부피를 줄인다면
→ 더 많은 리튬원자를 양쪽극에 포함시킬 수 있음.
→ 이는 더 많은 전자가 포함된다는 것.
→ 이는 전기용량 늘어난다는 의미
실제로, 소형 전자기기가 많아지고 더불어 배터리의 크기도 줄어드는 상황속에서, 더 큰 용량(더 많은 전자를 포함)을 구현하기 위해 기존 활물질을 바꾸어 어 더 많은 활물질을 넣을 수 있는 방안이 연구 개발되고 있다 합니다. 가령 음극재로 이용하는 흑연의 경우 탄소 6개당 한개의 리튬원자를 저장할 수 있는데 이를 리튬 대신 실리콘으로 바꿀 경우, 탄소수가 줄어들어 단위 면적당 더 많은 리튬원자가 저장될 수 있다고 합니다.
설명이 길었지만, 결국 배터리의 용량은, '배터리가 양쪽 극에서 가지고 있는 전자의 수'를 의미합니다.
가지고 있는 전자들이 음극에서 양극으로 이동할때 전기를 발생시켜 핸드폰과 같은 각종 전자기기들을 동작시키는 것이죠.
용량의 단위인 mAh에 대해
가령 2mAh란, 2mA의 전류로 1시간동안 사용할 수 있는 배터리 용량(=전하용량 = 전자의 수), 혹은 1mA의 전류로 2시간동안 사용할 수 있는 배터리 용량을 의미합니다. 용량은 전하용량의 줄임말과 같습니다.
**이 전하량의 단위는 학문적으로 C(쿨롱) 입니다만, 전하량 = 전류 * 시간 이라는 점에서 실무상으로는 mA(전류)h(시간) → mAh를 사용한다고 하네요.
그렇다면 배터리의 에너지양과 용량의 차이는??!
용량이 클수록 전기를 만들어내는 전자의 수가 큰 것이니 결국 에너지도 큰 것 아니냐 라고 생각하실 수 있습니다.
하지만 에너지양은 이러한 배터리 용량과 전압을 곱한 값을 말하므로 용량과는 차이를 두고 이해하셔야 합니다.
배터리의 에너지양
= 배터리 에너지용량 * 배터리 전압
= 단위, mAh * V
= 단위, mWh
여기에서 배터리의 전압은 양극의 활물질에 따라 달라지는데요, 리튬이온 이차전지의 경우 양극 활물질로 리튬계산화물질을 사용하는데 이 활물질의 재료. 즉, 리튬을 사용하냐, 니켈을 사용하냐에 따라 전압이 달라지는 것입니다.
며칠전에 구입했던 무선선풍기의 경우, spec에 배터리 사양으로 Li-ion 12V 2800mAh라고 적혀있었습니다.
여기에서 2800mAh는 배터리가 얼마만큼의 전자를 가졌는지를 말하는, 배터리의 용량을 일컫지만, 이 배터리가 가지는 '에너지양'의 경우, 전압을 곱한 2800mAh * 12V = 33.6Wh가 됩니다. 여기에서 소비 최대 전력이 24W이므로 이를 나누어주면 33.6Wh / 24W = 1.4h = 1시간 24분 정도 사용가능해 지는 것입니다. 위에 최대 풍속으로 2시간이라는 것은, 아마 전력 효율을 높이는데 들어가는 어떠한 보상 기술이 적용되어 늘어난 시간으로 생각됩니다.
결론
결론적으로, '배터리 용량'이 크다고해서 '에너지 양'이 큰 것은 아닙니다.
에너지 양은 배터리의 전압을 곱해서 구하게 되는 값이므로 배터리 내에 아무리 많은 전자를 포함(=배터리 용량)하고 있다 하더라도 전압이 작다면, 그 배터리로 다른 전자기기를 움직일 수 있게 하는 에너지의 양은 더 작을 수 있기 때문입니다.
이해를 위해 이러한 비유를 해보았습니다.
배터리의 용량이 이론적으로 가능한 '자전거의 최대 속력'이라면 (가령 시속40키로가 최대 이론치)
배터리의 전압은 그 자전거를 타는 사람이 누구냐를 말합니다. (가령 사이클 선수냐, 그냥 일반 아마추어냐)
배터리의 에너지양은, 이 자전거를 타고 1시간동안 갈 수 있는 거리가 되는 것입니다.
이론상 낼 수 있는 최대속력은 같은 자전거지만 사람에 따라 갈 수 있는 거리는 달라집니다.
예컨데, 이론적으로 최대 시속 40킬로까지 낼 수 있는 자전거가 있다 하더라도 사이클 선수가 낼 수 있는 속도와 저와 같은 초보자가 낼 수 있는 속도는 다릅니다. 사이클 선수가 이 자전거로 1시간동안 이론치와 동일한 40킬로를 갈 수 있다 하더라도, 저는 이 자전거로 1시간 동안 20킬로 밖에 갈 수 없는 것이죠.
마찬가지로 배터리가 완전방전때까지 보낼 수 있는 전자의 양(=용량)은 2800mAh로 동일하더라도
배터리의 전압을 결정짓는 활물질에 따라 어떤 것은 3.7V를 내는데, 어떤 것은 3V를 낸다면, 1시간동안 발생시킬 수 있는 에너지 양은 달라지게 될 것입니다.
그런데 위 무선선풍기쪽에서 예시를 들은 것처럼, 몇 와트 단위로 전력소모를 일으키는 전자기기의 경우, 얼마나 오래 사용할 수 있느냐를 결정짓는 것은 에너지 용량(mAh)이 아니라 이것이 전압과 곱해진, 에너지 양(mWh)이됩니다.
어떠한 전자기기를 배터리로 구동할 때, 몇시간을 쓸 수 있느냐는 용량의 크기와 상관없이 에너지양에 의해 결정된다는 이 차이를 구별할 수 있어야 하는 것이죠.
'에너지 밀도'는 배터리 소형화와 관련된다
한편 에너지 밀도는 중량당, 부피당 가진 에너지양을 의미합니다.
에너지 밀도가 높다는 것의 의미는, 단위 부피당 더 많은 에너지양을 가지고 있다는 것이므로 그만큼 배터리를 소형화할 수 있다는 것을 의미합니다. 그런데 이 에너지 밀도를 높이기 위해서는 1) 배터리 용량을 늘리든지, 2) 전압이 더 높은 활물질을 쓰든지 하면됩니다.
가령, 배터리의 부피와 전압이 동일할때 에너지밀도를 늘리기 위해서는, 위에서 말한 배터리 용량을 늘리면되고, 동일한 배터리용량이라 하더라도 전압이 높으면 에너지 밀도는 높아질 것입니다.
이제, 위에서 어떠한 전자기기를 얼마나 오래 쓸 수 있느냐는, 배터리 용량이 아닌 에너지양에 결정한다는 것을 알게 되었습니다.
이러한 관점에서 봤을때, 용량이 동일하더라도 전압이 높아 에너지 밀도가 높아진 전지는 '동일 에너지양의 배터리를 구현'하는데에 '더욱 소형화'하여 만들 수 있다란 결론을 얻을 수 있습니다.
참고로, 리튬이온전지의 경우, 니켈수소전지(NiMh)에 비해 동일 부피당 더 적은 양의 용량을 가지고 있지만, 전압이 높으므로 더 높은 에너지 밀도를 가지므로 동일 에너지양을 구현하는데에 있어서 더욱 소형화 가능합니다.
정리
1. 배터리 용량은 배터리가 가지고 있는 전자의 양이다.
이는 배터리가 최대 방전때까지 내 뱉을 수 있는 전자의 수와 같다.
2. 배터리 에너지양은 용량에 배터리 전압을 곱한 값이다.
에너지양은 배터리에 걸리는 부하(전자기기들)를 얼마나 사용할 수 있는지를 말해준다.
용량이 커도 전압이 작으면 에너지양은 작아질 수 있으므로 용량과는 구분해 이해해두면 좋다.
3. 결국 어떠한 전자기기를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐를 결정짓는 것이 에너지양이라는 측면에서 봤을때 배터리의 소형화 여부는 '에너지 밀도'가 결정한다. 용량의 밀도가 좋다 하더라도 전압이 낮으면 결국 오래 사용할 수 없는 에너지양을 가진 것 밖에 되지 않기 때문이다. 그렇다면 원하는 용량이 될때까지 배터리 몇개를 붙여서 한 묶음으로 사용하든지 해야하고 이 경우 배터리 크기는 커진다
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출처
https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56402.html?listType=gallery
http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2016/09/30/2016093085003.html
https://m.etnews.com/20160902000224
**유의사항**
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