배터리

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배경

벤자민 프랭클린의 유명한 번개 폭풍우 속에서 연을 날려 전기를 끌어당기는 실험은 전기에 대해 배우기 위해 수행된 18세기 후반과 19세기 초반의 많은 실험 중 하나에 불과했습니다. 최초의 배터리는 1800년 이탈리아의 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 제작했습니다. 소위 볼타 더미 소금물, 가성소다 또는 일부 알칼리성 용액에 담근 가죽이나 판지로 분리된 은과 아연의 교대 디스크로 구성됩니다. 더미의 양쪽 끝에 있는 금속 조각을 수은으로 채워진 작은 컵에 연결했습니다. 볼타가 손가락으로 두 컵의 수은을 만졌을 때 그는 감전을 받았습니다. 그가 모은 디스크가 많을수록 더 큰 충격을 받았습니다.

Volta의 발견은 추가 실험으로 이어졌습니다. 1813년, Humphrey Davy 경은 런던 왕립 연구소 지하에 2,000쌍의 디스크 더미를 만들었습니다. 다른 응용 분야 중에서 Davy는 전기 분해를 위해 생성한 전기를 사용했습니다. 즉, 물질을 통해 전류를 통과시켜 화학 반응을 촉진하는 것입니다(Davy는 화합물에서 나트륨과 칼륨을 분리했습니다). 불과 몇 년 후, Michael Faraday는 코일 와이어에 전기를 유도하기 위해 자석을 사용하는 전자기 유도의 원리를 발견했습니다. 이 기술은 오늘날 발전소에서 전기를 생산하는 데 사용되는 발전기의 핵심입니다. (다이나모는 전기의 흐름이 규칙적으로 방향을 바꾸는 교류(AC)를 생성하는 반면, 배터리는 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)를 생성합니다. 매우 많은 양의 전류를 생성할 수 있는 납축전지, 오늘날의 자동차 의 선구자 배터리는 1859년 프랑스인 Gaston Planté에 의해 고안되었습니다.

미국에서 Thomas Edison은 1880년대 초 미국에서 보급되기 시작한 전구에 전력을 공급하기 위해 배터리와 발전기 모두에서 전기를 실험하고 있었습니다. 1860년대에 Georges Leclanché는 액체 성분으로 인해 무겁지만 상업적으로 판매 및 사용할 수 있는 습식 전지를 발명했습니다. 1870년대와 1880년대까지 Leclanché 셀은 건조한 재료를 사용하여 생산되었으며 Alexander Graham Bell의 전화기와 새로 발명된 손전등에 전원을 공급하는 것을 포함하여 여러 작업에 사용되었습니다. 그 후 배터리는 제1차 세계 대전 이후 몇 년 동안 큰 인기를 끌게 된 라디오와 같은 다른 많은 발명품에 전력을 공급하기 위해 요청되었습니다. 오늘날 매년 전 세계적으로 200억 개 이상의 전력 전지가 판매되고 있으며 각 미국인은 이를 사용합니다. 연간 약 27개의 배터리.

디자인

모든 배터리는 유사한 절차를 사용하여 전기를 생성합니다. 그러나 재료와 구조의 변화로 인해 다양한 유형의 배터리가 생산되었습니다. 엄밀히 말하면 일반적으로 배터리라고 하는 것은 실제로 연결된 셀 그룹입니다. 다음은 배터리 작동 방식에 대한 간략한 설명입니다.

모든 전지의 두 가지 중요한 부분은 양극과 음극입니다. 음극은 자연적으로 또는 실험실에서 산소와 결합되는 금속이며, 이 결합을 산화물이라고 합니다. 산화철(녹)은 배터리에 사용하기에는 너무 약하지만 아마도 가장 친숙한 산화물일 것입니다. 일부 다른 산화물은 실제로 작업(절단, 굽힘, 성형, 성형 등)하고 전지에 사용하기에 충분히 강합니다. 양극은 허용되는 경우 산화되는 금속이며, 다른 조건이 동일하다면 음극의 일부를 형성하는 금속보다 산화될 가능성이 더 큽니다.

전지는 음극의 한쪽 끝과 양극의 한쪽 끝을 전기를 전도할 수 있는 제3의 물질에 대고 다른 쪽 끝을 연결하면 전기를 생산합니다. 양극은 양극 쪽으로 산소 원자를 끌어당겨 전기 흐름을 생성합니다. 회로에 스위치(벽 또는 램프 스위치와 유사)가 있는 경우 스위치가 닫힌 위치에 있지 않으면 회로가 완전하지 않고 전기가 흐를 수 없습니다. 스위치 외에 전구와 같은 다른 것이 회로에 있는 경우 전구는 전구를 통과하는 전자의 마찰로 인해 켜집니다.

양극과 음극이 들어가는 세 번째 물질을 전해질이라고 합니다. 많은 경우 이 물질은 알칼리성의 특성을 가진 화학 조합입니다. 따라서 알카라인 배터리는 알카라인 전해질을 사용하는 배터리입니다. 단순한 스위치나 배터리를 사용하는 기기의 다른 스위칭 연결에 의해 완성된 회로에 셀이 배치되지 않는 한 셀은 자체적으로 전기를 생산하지 않습니다.

세포를 설계하면 유형과 구조에 많은 변형이 생길 수 있습니다. 예를 들어, 모든 전해질이 알칼리성인 것은 아닙니다. 또한, 전해질용 용기는 용기와 캐소드 또는 애노드 모두로 작용할 수 있습니다. 일부 세포는 음극에서가 아니라 공기에서 바로 산소를 끌어옵니다. 양극과 음극의 조성 변화는 어느 정도의 전기를 공급할 것입니다. 전지에 사용되는 모든 재료의 정확한 조정은 생산할 수 있는 전기의 양, 생산 속도, 전지의 수명 동안 전기가 전달되는 전압, 다양한 온도에서 기능하는 전지의 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. .

이러한 모든 가능성은 실제로 존재하며 다양한 응용 프로그램으로 인해 오늘날 사용할 수 있는 다양한 유형의 배터리(리튬, 수은 등)가 생산되었습니다. 그러나 수년 동안 가장 일반적인 전지는 1.5볼트 알카라인 배터리였습니다.

다른 배터리는 다른 상황에서 더 잘 작동합니다. 알칼리성 1.5볼트 셀은 사진 장비, 휴대용 컴퓨터 및 계산기, 장난감, 테이프 녹음기 및 기타 "높은 드레인" 용도에 이상적입니다. 저온에서도 좋다. 이 전지는 경 사진 방전 특성을 가지고 있습니다. 갑자기 전기 생산을 중단하는 것이 아니라 점차적으로 전력을 잃습니다. 선반에 사용하지 않은 채로 두면 연간 전력의 약 4%가 손실됩니다.

다른 유형의 배터리에는 리튬/이산화망간 배터리가 포함되며, 이는 방전 특성이 균일하며(수명 초기에 수명이 끝날 때와 거의 동일한 양의 전력을 제공함) 작은 배터리가 필요한 곳에 사용할 수 있습니다. 고출력 배터리(연기 경보기, 카메라, 컴퓨터의 메모리 백업 등). 보청기, 호출기 및 기타 유형의 의료 장비는 연속 방전 시 높은 에너지 밀도를 제공하는 아연 공기 버튼 유형 배터리를 자주 사용합니다. 수은 배터리는 안정적인 출력 전압을 제공하기 때문에 공기 아연 배터리와 동일한 응용 분야에서 자주 사용됩니다.

원자재

이 섹션과 다음 섹션에서는 알카라인 배터리에 중점을 둘 것입니다. 알카라인 배터리에서 셀을 포함하는 실린더는 니켈 도금된 강철로 만들어집니다. 그것은 양극과 음극을 나누는 분리기가 라이닝되어 있으며 겹친 종이 또는 다공성 합성 물질로 만들어집니다. 캐니스터는 강철판 아래에 있는 아스팔트 또는 에폭시 실런트로 한쪽 끝을 밀봉하고 다른 쪽 끝은 실린더를 관통하는 황동 못으로 밀봉합니다. 이 못은 금속 엔드 캡에 용접되고 외부 플라스틱 씰을 통과합니다. 실린더 내부의 음극은 이산화망간, 흑연 및 수산화칼륨 용액의 혼합물로 구성됩니다. 애노드는 아연 분말 및 수산화칼륨 전해질을 포함한다.

제조
프로세스

음극

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1 알카라인 배터리에서 음극은 실제로 용기의 일부로 두 배가 됩니다. 이산화망간, 카본 블랙(흑연) 및 전해질(용액 내 수산화칼륨)과 같은 엄청난 양의 구성 성분이 구성 성분의 혼합은 배터리 제조의 첫 번째 단계입니다. 과립화 후, 혼합물은 압축되거나 프리폼(중공 실린더)으로 압축됩니다. 압축과 관련된 원리는 간단합니다. 강철 펀치가 구멍으로 내려가 혼합물을 압축합니다. 수축할 때 아래에서 펀치가 상승하여 압축된 프리폼을 배출합니다. 기차로 배달되고 생산 현장에서 매우 큰 배치로 혼합됩니다. 그런 다음 혼합물을 과립화하고 압축하거나 예비성형체라고 하는 속이 빈 실린더로 압축합니다. 만들어지는 배터리의 크기에 따라 여러 프리폼이 배터리에서 다른 하나의 위에 쌓일 수 있습니다. 또는 일련의 프리폼을 동일한 재료의 압출 링으로 대체할 수 있습니다.

2 다음으로 프리폼을 니켈 도금 강철 캔에 삽입합니다. 프리폼과 강철의 조합은 배터리의 음극을 구성할 수 있습니다. 대규모 작업의 경우 배터리 공장에서 표준 절단 및 성형 기술을 사용하여 캔을 만듭니다. 캔 상단 부근에 움푹 들어간 곳을 만들고, 만입부 위에 아스팔트나 에폭시 실런트를 깔아 누수를 방지합니다.

구분 기호

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3 전해질 용액에 담근 종이 분리기를 캔 내부에 삽입하여 프리폼에 대고; 분리기는 여러 장의 종이 조각으로 만들어집니다(합판과 같이). 열린 깡통을 내려다보면 깡통에 넣은 종이컵처럼 보이는 것이 보일 것입니다. 분리막은 양극 물질이 음극 물질과 접촉하는 것을 방지합니다. 대안으로 제조업체는 같은 목적으로 다공성 합성 섬유를 사용할 수 있습니다.

양극

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4 양극은 다음 배터리 캔에 들어갑니다. 주로 아연 분말과 수산화칼륨 전해질을 포함한 다른 물질로 구성된 젤입니다. 이 젤은 매우 두꺼운 페이스트의 일관성을 가지고 있습니다. 용액이라기보다는 입자가 침전되지 않는 화학적 현탁액입니다(적절한 필터로 입자를 분리할 수 있음). 젤은 배터리를 사용할 때 발생할 화학 반응을 위한 공간을 허용하기 위해 상단까지 캔을 채우지 않습니다.

물개

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5 이 시점에서 배터리는 전기를 생산할 수 있지만 개방형 셀은 실용적이지 않고 잠재력을 빠르게 소진합니다. 배터리는 연결된 3개의 부품으로 밀봉되어야 합니다. 첫 번째, 황동 "못" 또는 긴 스파이크가 젤 재료를 통해 캔 중앙에 삽입되어 "집전체" 역할을 합니다. 두 번째는 플라스틱 씰이고 세 번째는 금속 엔드 캡입니다. 약 3분의 2 정도 확장되는 손톱 강철 캔에 삽입된 프리폼으로 구성된 일반적인 알카라인 배터리의 용기는 음극으로도 사용됩니다. 중간에 있는 양극은 주로 아연 분말로 구성된 젤입니다. 양극과 음극 사이의 분리막은 종이나 합성섬유를 전해액에 담가놓은 것입니다.
완성된 배터리에는 플라스틱 씰, 강철 못, 금속 상단과 하단이 추가되었습니다. 못은 금속 바닥에 용접되고 양극을 통해 캔으로 들어가는 방향의 약 2/3로 확장됩니다. 금속 엔드 캡에 용접된 다음 플라스틱 씰을 통과합니다.

6 이 씰은 다른 곳보다 훨씬 얇아서 캔에 너무 많은 가스가 쌓이면 배터리 전체가 아닌 씰이 파열됩니다. 일부 배터리 디자인은 플라스틱에 왁스로 채워진 구멍을 사용합니다. 과도한 가스는 배터리를 파열시키는 대신 왁스를 밀어냅니다. 씰 어셈블리는 공정 초기에 캔에 만들어진 움푹 들어간 곳을 만나 제자리에 압착됩니다.

7 캔의 반대쪽 끝(배터리의 양극 끝)은 제자리에 용접되거나 에폭시 유형 시멘트로 접착된 강판으로 닫힙니다.

레이블

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8 배터리가 출고되기 전에 배터리 유형, 크기 및 기타 정보를 식별하는 레이블이 추가됩니다. 레이블은 종종 단순히 배터리에 접착되는 종이입니다. 한 대형 제조업체는 플라스틱 수축 랩에 라벨 디자인을 인쇄했습니다. 열에 민감한 플라스틱의 헐렁한 부분을 배터리 캔 주위에 감싼 다음 열에 노출시키면 플라스틱이 수축하여 캔 주위에 꼭 맞도록 합니다.

품질 관리

배터리 기술은 특별히 새롭거나 이국적이지 않기 때문에 품질 관리와 그 결과는 브랜드 경쟁의 기반으로 특히 중요합니다. 부식에 저항하는 배터리의 능력, 다양한 조건에서 잘 작동하는 능력, 우수한 보관 및 사용 수명을 유지하는 능력 및 기타 요소는 품질 관리의 직접적인 결과입니다. 배터리와 성분은 생산 공정의 거의 모든 단계에서 검사 및 테스트되며 완성된 배치는 엄격한 테스트를 거칩니다.

환경 문제

배터리를 만드는 것은 몇 가지 환경적 장애물을 제시하지만 극복할 수 없는 것은 없습니다. 알카라인 배터리의 주요 화학물질인 아연과 망간은 환경적 문제를 일으키지 않으며 식품의약국(FDA)에서 안전한 것으로 간주됩니다. 배터리의 주요 잠재적 오염 물질은 일반적으로 아연과 함께 제공되는 수은으로, 수은은 전도성을 돕고 부식을 방지하기 위해 수년 동안 알칼리 배터리에 첨가되었습니다. 1980년대 중반에 알카라인 배터리는 일반적으로 5~7%의 수은을 함유했습니다.

몇 년 전 수은이 환경적 위험 요소라는 것이 명백해졌을 때 제조업체는 수은 없이 효율적인 배터리를 생산하는 방법을 찾기 시작했습니다. 이를 수행하는 주요 방법은 성분의 더 나은 순도 제어에 중점을 둡니다. 오늘날의 알카라인 배터리에는 약 0.025%의 수은이 포함될 수 있습니다. 수은이 전혀 첨가되지 않은 배터리(자연 발생 원소이므로 제품에 미량의 품질을 보장하기 어렵습니다)는 일부 제조업체에서 구입할 수 있으며 결국 예외가 아닌 업계 전반의 규칙이 될 것입니다. 1993년.

미래

배터리는 현재 전 세계 과학자와 엔지니어가 집중적으로 연구하는 분야입니다. 그 이유는 간단합니다. 몇 가지 핵심 혁신은 더 나은 배터리를 만드는 데 달려 있습니다. 충전 없이 장기간 작동할 수 있는 실용적인 전기 자동차와 휴대용 전자 장치는 더 가볍고 더 강력한 배터리가 개발될 때까지 기다려야 합니다. 예를 들어, 현재 자동차에 사용되는 일반적인 납축전지는 부피가 너무 커서 전기 자동차에 사용하기에 충분한 전기를 저장할 수 없습니다. 리튬 배터리는 가볍고 강력하지만 누출 및 화재가 발생하기 쉽습니다.

1993년 초에 Arizona State University의 과학자들은 폴리프로필렌 옥사이드와 폴리에틸렌 옥사이드를 리튬염 용액에 용해시켜 새로운 종류의 전해질을 설계했다고 발표했습니다. 새로운 전해질은 일반적인 리튬 전해질보다 전도성이 높고 안정적인 것으로 보이며 연구자들은 현재 유망한 물질을 사용하는 프로토타입 배터리를 구축하려고 노력하고 있습니다.

그 동안 여러 제조업체에서 휴대용 컴퓨터에 사용할 더 크고 강력한 니켈 금속 수소화물 배터리를 개발하고 있습니다. 이 새로운 배터리는 1994년 후반에 출시될 예정입니다.