납축전지

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납축전지

자동차용 납축전지
중량 에너지 밀도	30-40 Wh/kg
체적 에너지 밀도	60-75 Wh/l
출력 하중비	180 W/kg
충전/방전 효율	50%-92% [1]
에너지 코스트	7(sld)-18(fld) Wh/US$ [2]
자기 방전율	3%-20%/월[3]
사이클 내구성	500-800 c
공칭 전압	2.105 V
템플릿을 표시

리사이클 마크(리사이클법에 따른다)

납축전지(나마리치구 나오지 않는 치)란, 전극에 납을 이용한 2차 전지의 일종이다.

목차

개요

납축전지는, 정극(양극판)에 이산화납, (남)음극(음극판)에는 해면상의 납, 전기분해액으로서 희류산을 이용한 2차 전지이다.정극・(남)음극의 쌍방에서 전기분해액중에 황산이온이 이동하는 것으로 충전되어 전기분해액중의 황산이온이 정극・(남)음극의 쌍방으로 이동하는 것으로 방전을 실시한다(자세한 것은 후술).방전하면, 황산이온이 정극・(남)음극의 쌍방으로 이동하기 위해서 전기분해액의 비중은 저하해, 반대로 충전하면 상승한다.덧붙여 전기분해액의 비중의 변화는, 방전시에 정극으로 물이 만들어지는 일도 관계하고 있다.

공칭 전압은 단셀 당 2볼트로 비교적 높은 전압을 꺼낼 수 있어 전극 재료의 납도 염가로 있는 것부터, 2차 전지 중(안)에서는 세계에서도 가장 생산량이 많다.단시간에 대전류를 방전시켜도, 장시간에 완만한 방전을 실시해도 비교적 안정된 성능을 가져, 다른 2차 전지와 달리, 방전해 버리지 않는 상태로 재충전을 실시해도 메모리 효과는 나타나지 않는다.

한편, 다른 축전지에 비해 대형으로 무겁고, 희류산을 사용하기 위해서 누설이나 파손시에 위험이 수반한다.과방전에 의해 사르페션으로 불리는 현상이 생기고 용량이 저하한다.또, 충전량의 저하에 수반해 전기분해액의 농도가 저하해, 응고점이 오르기 위해, 극한지에서는 전기분해액이 동결하기 쉬워져, 동결시의 팽창에 의해 케이스가 파손하는 경우도 있다.이것으로부터, 세세하게 충전하고 과방전을 피하는 편이 보다 길게 기능을 유지할 수 있는[¹].비울 때까지 방전시키는 용도를 위해서 전극을 개량한 딥 사이클 배터리도 존재한다.

용도

자동차의 배터리로서 넓게 이용되고 있는 것을 시작해 산업용으로서 상업용 전원이 끊어졌을 때의 백업 파워 써플라이의 용도나, 배터리로 구동하는 포크리프트・골프 카트라고 하는 전동 자동차용 주전원 등에도 이용되고 있다.또 소형 비행기용이라고 해도 넓게 사용되고 있다.자동차・소형 비행기 어느 경우도, 올터네이터(교류발전기)로 발생한 교류를 다이오드등에 의해서 정류 하는 것에 의해서 직류로 해 충전된다.작은 곳에서는, 아이와의 헤드폰 스테레오등의 껌형 전지에서도 사용되었다.

원리・구조

납축전지의 전극에 있어서의 화학반응은 아래와 같이로 나타나 Pb와 PbO₂에 있어서의 Pb의 산화수의 차이를 이용한 전지이다.

	방전시	충전시
(남)음극	${\displaystyle {\ce {Pb\ +SO4^{2-}->PbSO4\ +2{\mathit {e}}^{-}}}}$	${\displaystyle {\ce {PbSO4\ +2{\mathit {e}}^{-}->Pb\ +SO4^{2-}}}}$
정극	${\displaystyle {\ce {PbO2\ +4 H^{+}\ +SO4^{2-}\ +2{\mathit {e}}^{-}->PbSO4\ +2 H2O}}}$	${\displaystyle {\ce {PbSO4\ +2 H2O->PbO2\ +4 H^{+}\ +SO4^{2-}\ +2{\mathit {e}}^{-}}}}$

위의 2개의 식은 1개로 정리할 수 있다

${\displaystyle {\ce {Pb\ +PbO2\ +2H2SO4\longrightarrow 2PbSO4\ +2H2O}}}$ 

납축전지의 구조는 다음 대로이다.

• 정극
  • 전극 격자: 납, 또는 납합금
  • 활물질: 이산화납PbO₂
• (남)음극
  • 전극 격자: 납, 또는 납합금
  • 활물질: 납Pb
• 전기분해액: 희류산(H₂SO₄) 농도:30-35% 정도를 용도별로 JIS로 규정
• 세퍼레이터: 합성 수지제로 다공질의 격리판[¹]
• 전조・뚜껑: 정극・(남)음극판・separator를 조합한 극군이나 전기분해액을 수납하는 용기

그 밖에 전극 단자나 안전밸브, 그러한 씰재나 표시물이 있다.

종래의 납만으로 구성되는 전극 격자에 대신해, 새로운 재질로서 납과 주석, 칼슘의 합금이 사용되고 있다.재질의 개량등에 의해 자기 방전이 감소해, 1년에20% 정도 밖에 소모하지 않게 된[1^].

분류

극판의 종류에 의한 구분

클래드식

유리 섬유를 튜브장에 짜 구워 굳혔지만 안에 극판 활물질을 충전한 것으로 구성되는 극판.정극판에만 채용되고 있다.축전지의 내구성이 향상해, 주로 산업용의 장수명 타입의 축전지나 포크리프트용의 축전지에 사용되고 있다.

페이스트식

격자체로 불리는 극판의 뼈대에 페이스트상으로 한 활물질을 발라 극판으로 한 것.정극판에도 (남)음극판에도 채용되고 있다.극판의 반응 면적을 늘려, 단시간에 대전류 방전시키는 용도의 축전지를 만드는 것이 가능해진다.

튜더식

정극에 사용된다.두께 10 mm 정도의 연판에 다수의 세로도랑을 자르는 것으로 표면적을 벌어, 표면을 산화시킨 극판.중량이 늘어난다.현재, 일본에서는 제조되어 있지 않다.일부의 해외제 납축전지로 현존.

구조상의 구분

이 마디의 가필이 바람직하고 있습니다. (2016년 6월)

겨이삭띠형 납축전지(개방 타입)

전기분해액이 들어간 전조안에 극판군을 삽입해 구성되는, 납축전지 발명 당시부터 존재하고 있던 구조의 것.액식 전지로 불리기도 한다.사용에 대하고, 충전중에 일어나는 물의 전기 분해 반응이나 자연 증발에 의해서 전기분해액중의 수분이 없어지기 위해, 적당 순수한 물(수도물은 불가)을 보급할 필요가 있다.전기분해액 비중을 측정하는 것으로써 용량 상태등을 파악할 수 있지만, 점검 작업 등에 있어 멘테넌스가 귀찮다라고 말하는 난점을 가진다.또, 전기 분해에 의해 가연성의 수소가 발생하기 위해(때문에), 밀폐 공간에서의 취급에는 주의를 필요로 한다.

자동차나 소형 비행기에 사용하고 있는 것은 이 타입이지만, 차실내나 트렁크에 배터리가 있는 것은, 상기의 문제로부터 폭발・화재의 가능성이 있기 위해, 후술의 제어 밸브식이 채용되고 있다.자동차용의 배터리는 SLI(starting, lighting, ignition) 타입으로 불리고 있다.

제어 밸브식 납축전지(VRLA, valve-regulated lead-acid battery 타입)

1980년대 중반부터 등장한 것으로, 겨이삭띠형과는 달라 충전중에 물의 전기 분해 반응이 일어나도, 발생한 수소 가스와 산소 가스도 칼슘을 포함한 전극판표면에서의 화학반응에 의해, 원의 물에 환원해 전기분해액중에 되돌리는 작용을 일으키고 있다.수분이 없어지는 것이 적고 액량의 점검이나 보수가 불필요한[²]가, 보수 할 수 있는 것도 있다.

통상은 축전지 내부의 기밀을 유지하기 위해, 뚜껑 부분에 내장된 제어 밸브(배기 밸브)는 닫은 상태가 되어 있지만, 충전기의 고장등에 의해 과대한 충전 전류가 흘러 축전지의 내압이 상승했을 때는 고무변이 열리고 압을 놓치도록(듯이) 하고 있다.

제어 밸브식 납축전지는 멘테넌스를 간략화할 수 있다고 하는 특징이 있지만, 사용되고 있는 전기분해액의 양이 적은이기 위해, 주위 온도의 영향을 받기 쉽고, 특히 높은 온도 조건아래에서는 단수명이 되는 일이 있다.쉴드 배터리나, 액량의 점검이나 순수한 물의 보수를 하지 않는 전제 때문에, 메인터넌스 프리 배터리(MF타입)로 불린다.

양극과 음극을 멀리하는 separator(격리판)에게 미세 유리 매트를 이용해 전기분해액을 그 유리 매트 로 유지하는 방식을 취한 구조의 것을이 많아, 흡수 유리 매트 배터리(AGM 타입)라고도 불린다.이 (안)중으로 평판 모양의 전극을 이용한 것을 AGM FLAT 타입, 전극을 둥글게 감은 것을 AGM SPIRAL 타입이라고 부르는 일이 있다.한층 더 전기분해액을 겔상으로 한 것(GEL 타입)는 「드라이밧테리」라고 불려 배터리를 옆으로 쓰러 뜨리기 상태로 사용할 수 있으므로, 오토바이나 UPS 장치에 이용된다.

폐기

납축전지는, 인체나 환경에 유해한 납이나 황산을 포함하고 있어 일반의 폐기물로서 버릴 수 있지 않는다.이 때문에, 전지 공업회와 각 전지 메이커를 중심으로, 교환용의 배터리를 판매한 가게가, 폐기하는 납축전지를 대금의 일부로 받는 리사이클 제도가 정비되고 있다.폐기된 납축전지는, 크게 나누어 납・플라스틱・황산으로 나눌 수 있지만, 황산 이외는 자원으로서 가치가 높기 위해(때문에), 업자간에서는 유가물로서 거래되고 있다.전기분해액의 희류산은 의약용외 연극물로, 폐기할 때등에는 탄산수소나트륨(중조)을 시작으로 하는 중화제를 이용하고, 적절한 처리를 해야 한다.

열화 현상

납축전지는 방전 다하면, (남)음극판표면에 유산 납의 딱딱한 결정이 생기는 사르페션(백색 유산 납화)으로 불리는 현상이 발생하기 쉬워진다.납축전지로는 전극의 표면적을 펼치기 위해서 표면이 입상이 되고 있지만, 사르페션에 의해 유산 납이 표면에 부착하고 표면적이 저하해 기전력이 저하한다.유산 납의 결정은 용해도가 낮고, 한 번 석출하면 충방전의 사이클로 돌아올 수 없다.사르페션이 발생한 납축전지는 충전하면 전압은 회복하는 것의 내부 저항이 커져, 실제 사용할 수 있는 전지 용량이 저하한다.배터리 열화는 배터리 테스터로 CCA(Cold Cranking Amperes) 치를 계측하는 것으로 판단할 수 있다.CCA치는—18℃으로 방전시켰을 경우 단자전압이 30초간에 7.2 V까지 저하하는 경우의 방전 전류(A)를 나타내고 있다.

사르페션을 일으킨 납축전지의 기능 회복을 노래하는 첨가제가 있어, 많게는 탄소 미분말이나 게르마늄, 리그닌, 특수 폴리머등을 사용하고 있지만 효과는 한정적이다.펄스를 병용 한 충전으로 사르페션을 제거하는 장치가 있지만, 전극이 열화 하거나 탈락한 것 무효이다.

그 밖에 정극판의 이산화납이 사용해 나가는 것에 따라 서서히 벗겨지는 탈락으로 불리는 현상이 발생해, 이것이 전지 밑부분에 쌓여 양극과 음극을 쇼트 한 형태가 되고 전압이 저하한다.통상 셀 1개의 전압이 2볼트이므로, 쇼트 한 셀의 수만큼 2볼트 단위로 전압이 저하하는 것이 특징이다.전기분해액의 용매인 물은, 증발이나 충전시에 수소와 산소에 전기 분해 되는 것에 의해서 액량이 감소한다.액면이 내려 전극과 전기분해액의 접촉 면적이 감소하면 기전력이 저하하기 위해, 납축전지에는 액오모다카를 나타내는 표시가 되고 있고, 하한에 이르렀을 때에는 정제수를 보충할 필요가 있다.전기분해액이 부족(액 시들어) 상태로는, 충전중이나 충격등에 의한 불꽃(쇼트)이 발생해, 수소 가스에 인화 하면 폭발 사고가 된다.

전동 포크리프트 등 다수의 축전지를 일상적으로 사용하는 경우에 번거로운 보수 작업을 간단하게 하기 위한(해), 축전지 메이커는 옵션으로 일괄보수 시스템을 준비하고 있다.

납축전지 메이커

• 지에스・유아사 코퍼레이션
• 후루카와 전지
• GS유아사에나지( 구파나소닉 스토리지 배터리)
• 히타치 화성(히타치 브랜드)
• ACdelco(에이시데르코)
• 전성(Brite Star 브랜드)
• Gill Batteries
• 타이신 전지(newmax 브랜드)
• 전릉(DENRYO BATTERY)

출전

1. ^ ^{a b c}매미요시유키저브르박스 「새로운 전지의 과학」코단샤 2006년 9월 20일 제 1쇄발행 ISBN 4062575302
2. ^사카이 시게루, 「자동차용, 산업용 납전지의 현상과 장래」전기 학회 논문잡지 D(산업 응용 부문잡지) Vol. 111 (1991) No. 8 P. 626-632, doi:10.1541/ieejias.111.626

관련 항목

위키메디아・코몬즈에는, 납축전지에 관련하는 카테고리가 있습니다.

• 전지-2차 전지
• 습전지
• 부스터 케이블
• 사단법인 전지 공업회
• 가스 톤・프란테

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