미래 시장에 꼭 필요한 2차 전지와 연료전지

자동차의 모터를 구동하기 위해서는 전원이 필요합니다. 그 전원에 사용되는 것이 전지입니다. 하이브리드 자동차 중에는 발전기를 엔진으로 구동하는 방식도 있지만 이러한 경우에도 회생제동을 위한 충전이 가능한 전지가 필요합니다. 전지에는 태양전지처럼 물리전지로 분류되는 것도 있지만 대부분은 화학반응을 이용하는 화학전지입니다. 전지는 전기 그 자체를 비축하기도하지만 화학전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 화학전지에는 1차 전지, 2차 전지, 연료 전지가 있습니다. 1차 전지는 건전지처럼 사용하고 버리는 타입의 전지입니다. 2차 전지는 충전해서 반복사용할 수 있는 전지로 축전지라고도 합니다. 일반적으로 충전지라고 부릅니다. 전기자동차와 하이브리드 자동차에 사용되는 것은 2차 전지 중에서도 에너지 밀도가 높은 니켈수소전지 또는 리튬이온전지입니다.

엔진자동차의 충전장치에 사용되고 있는 통칭 배터리도 납축전지라는 2차 전지입니다. 양 전극의 물질은 얇은 시트로 만들어지고 사이에 같은 두께의 시트 상태의 세퍼레이터가 들어갑니다. 세퍼레이터에는 전해액이 포함되어있으며 이것이 여러 층으로 겹쳐져 있습니다. 모양은 원통형, 사각형, 라미네이션형 등이 있습니다. 리튬이온전지의 구조도 이와같습니다. 연료전지는 화학에너지를 연료로 공급하면 연속해서 사용할 수 있습니다. 전지로는 분류되지 않지만 마찬가지로 전기를 담을 수 있는 것으로 캐패시터가 있습니다. 캐패시터도 에너지 회생을 위해 자동차에 사용되기 시작하고 있습니다. 2차 전지는 전극의 2종류의 물질과 전해액의 조합으로 화학반응을 일으켜서 방전합니다. 이 조합에 의해 전지의 전압이 정해집니다. 일반적인 사용에서 얻어지는 전압의 기준을 공칭전압이라고 합니다. 충전 때에는 방전 때와는 정반대의 화학반응이 일어납니다. 니켈수소전지는 공칭전압이 1.2V이며 건전지 타입의 2차 전지의 주류입니다. 효율과 에너지 밀도 등은 리튬이온전지보다 떨어지지만 안전성이 높고 가격이 저렴합니다. 에너지 밀도란 일정한 중량 또는 체적 안에 어느 정도의 레너지가 존재하는가를 의미합니다. 2차 전지의 경우는 완전히 충전된 상태의 에너지 밀도로 표현합니다. 이때의 전력량을 전지의 용량이라고 합니다. 2차 전지에 에너지 밀도가 높을수록 같은 용량이라도 경량 또는 소형으로 만들 수 있으므로 여러 가지 면에서 유리합니다. 또한 같은 중량 또는 체적이라면 에너지 밀도가 높을수록 항속거리가 길어집니다. 2차 전지의 성능에서는 출력도 중요합니다. 전지의 출력이란 전력을 말하며 일정시간에 할 수 있는 일의 양입니다. 모터의 출력이 아무리 높아도 2차 전지의 출력이 작으면 모터의 출력은 전지의 출력을 넘어설 수 없습니다. 리튬이온전지는 에너지 밀도와 출력이 니켈수소전지보다 높습니다. 모터는 엔진에 비해 매우 효율이 높지만 그래도 항속거리면에서 엔진자동차가 유리한 것은 가솔린 에너지의 밀도가 높기 때문입니다. 1차 전지, 2차 전지는 내부에 화학에너지가 축적되어 있지만 연료전지는 화학에너지를 연료로 공급해서 연속해서 전기를 발생시킬 수 있습니다. 연료탱크까지 포함해서 생각하면 내부에 화학에너지를 축적하고 있다고 할 수 있지만 연료전지만 보면 다른 형태의 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이므로 발전기에 가깝습니다. 연료전지의 기본적인 원리는 전기 분해와 반대되는 화학반응을 일으켜서 전기를 발생시킵니다. 주로 물의 전기분해의 반대 반응, 즉 수소와 산소를 반응시켜서 전기를 발생시키고 있습니다. 다양한 구조가 있지만 연료전지 자동차에서 사용하고 있는 것은 고체 고분자형 연료전지입니다. 전극에는 탄소 등으로 만들어진 다공질의 소재가 사용되며 사이에 특정 이온만 통과시키는 이온 교환막이 배치됩니다. 양쪽의 전극에 연료인 수소와 공기 중의 산소를 공급하면 발전이 됩니다. 화학반응에 의해 발생되는 것은 물뿐입니다. 실제로는 반응할 때 열이 발생하기 때문에 고온의 물로 배출됩니다. 이 뜨거운 물을 열의 발생장치로 이용하는 것도 가능합니다. 회생제동에서 얻어지는 전력은 매우 클 때가 있으므로 납축전지 등 용량이 작은 2차 전지로의 충전은 어렵습니다. 하지만 전기 2중층 캐패시터에 충전한 후에 그 전기를 조금씩 2차 전지에 충전하는 방법은 가능합니다. 다만 2차 전지의 방전전압은 거의 일정하지만 캐패시터의 방전전압은 직선적으로 저하됩니다. 따라서 2차 전지로의 충전이나 다른 부분에서 전기를 사용하기 위해서는 전압을 제어하는 DC/DC컨버터를 반드시 함께 사용해야합니다.