니켈카드뮴(NiCd) 배터리는 오랫동안 사용된 전통적인 충전식 배터리 중 하나입니다. 이번 포스팅에서는 니켈카드뮴 배터리의 특징과 장단점 그리고 리튬이온 배터리와 비교를 해보도록 하겠습니다.
1. 니켈카드뮴 배터리 특징
니켈 수산화물과 금속 카드뮴을 전극으로 사용하는 스웨덴 출신의 발데마르 융너가 개발한 충전식 배터리입니다. 이 배터리는 전기 팬, 리모컨, 면도기, 시계 등과 같은 가전 제품에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 다양한 크기와 배출 속도로 만들어집니다.
니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지는 높은 출력과 에너지 밀도, 높은 충방전 효율 및 낮은 사이클 수명(*Table 2)을 가지고 있습니다. Ni-Cd 배터리의 1차적인 단점은 제조 공정이 비싸기 때문에 상대적으로 다른 배터리 대비 비용이 높습니다. 또한 카드뮴은 독성이 강한 중금속이므로 Ni-Cd 배터리 폐기와 관련된 문제를 제기합니다. Ni-Cd 배터리는 일련의 완전 방전 후에만 완전히 충전되는 *메모리 효과를 겪기도 합니다
- 니켈카드뮴 배터리는 반복적인 충전과 방전에 강하며, 수천 번의 충전/방전 주기를 견딜 수 있습니다.
- 일반적으로는 주로 사용되기 전에 완전 방전 후 충전하는 것이 좋습니다. 이는
*메모리 효과와 연관되어 있습니다.
★메모리 효과란?
메모리 효과(memory effect)는 주로 니켈카드뮴(NiCd) 배터리에서 발생하는 현상 중 하나로, 배터리가 일부분만 반복적으로 충전되고 방전되는 경우 나타나는 현상입니다. 이로 인해 배터리의 실제 용량이 감소하거나, 충전된 상태에서 더 이상의 전력을 공급하지 않는 것처럼 보일 수 있습니다.
메모리 효과는 배터리의 화학적인 특성과 관련이 있습니다. 특히, 배터리의 화합물이 일부 구역에서만 반복적으로 충전되고 방전되면, 해당 구역의 화합물이 ‘기억’ 상태로 남아, 배터리가 사용되는 부분이 미리 정해진 용량 이하에서만 동작하게 되는 것입니다.
– 니켈카드뮴 배터리는 메모리 효과가 발생할 수 있어, 완전 방전 후 충전하는 것이 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다.
– 부분 방전 후 충전하면 배터리가 이전에 충전된 부분에서만 사용되는 메모리 효과가 발생할 수 있습니다.
2. 전압과 충전 속도:
메모리 효과는 주로 오래된 니켈카드뮴 배터리에서 발생하는 문제이며, 현대의 리튬이온(Li-ion) 배터리에서는 이러한 메모리 효과가 크게 나타나지 않습니다. 그러나 일부 리튬이온 배터리에서도 일부 메모리 효과가 나타날 수 있으므로, 최적의 배터리 성능을 유지하기 위해 정기적인 완전 방전 후 충전이 권장되지 않는 경우가 많습니다.
2.1.니켈 카드뮴 배터리와 연축전지의 비교
니켈-카드뮴(NiCd) 배터리는 연축전지 (납축전지)와 유사한 기술적 특성을 가지고 있지만 뛰어난 에너지 밀도와 우수한 사이클 특성을 가지고 있습니다. 여기서 말하는 사이클 특성이란 충방전 하는 사이클을 얼마나 자주 온전히 성능이 훼손되지 않고 할 수 있는 지를 말합니다.
에너지밀도 측면에서 니켈 기반 배터리는 전력 밀도가 높고 에너지 밀도가 연축전지 대비 약간 높은 편에 속합니다. (50–75). Wh/kg),
3. 충전전압:
니켈 카드뮴 배터리의 전압은 일반적인 셀 당 전압은 약 1.2V로 상대적으로 낮은 전압을 가지고 있습니다. 셀당 V와 그 비용은 동급 납축 배터리의 약 5~10배입니다.
하지만 방전 특성이 우수하며, 높은 방전율과 낮은 온도에서도 비교적 일정한 전압으로 방전됩니다. 또한 사이클 수명(예: 2<000 사이클)이 길고 과충전에 강하며 유지 보수가 거의 필요하지 않다는 큰 장점이 있습니다.
NiCd 배터리는 현재 납산 및 리튬 이온 배터리와 같은 휴대용 전자 제품 용도로 널리 사용되고 있고 NiCd 배터리는 우수한 사이클 특성과 에너지 밀도에도 불구하고 단점이 있습니다. 배터리는 독성이 강한 물질로 구성되어 있으며 부분 방전 후에도 배터리를 완전히 충전해야 하는 “메모리 효과”를 가지고 있습니다.
참고로, NiCd 배터리에서는 음극에는 수산화니켈산화물(Ni(OH)₂)이, 양극에는 산화카드뮴(CdO)가 사용되는 전해액이 채워져 있습니다.
두 전극 사이의 전해질은 알칼리 수용액을 사용합니다.
4. 니켈 카드뮴 배터리의 장단점
4.1. 장점
한가지 뚜렷한 장점은 니켈카드뮴 배터리의 사이클 수명이 길다는 것입니다. 따라서, 지금처럼 수명이 긴 리튬 이온 배터리가 발명되기 전에는 Ni-Cd 배터리가 최선의 선택이었습니다.
니켈카드뮴 배터리가 다른 제품에 비해 갖는 또 다른 이점은 비용입니다. Ni-Cd 배터리는 같은 기능을 하는 다른 배터리에 비해 가격이 매우 낮은 것이 사실입니다. 하지만 NiCad 대 리튬 배터리라면 조금 더 비싼 것이 더 가치가 있습니다.
리튬 이온 배터리는 니켈-크롬 배터리와 비교하여 사이클 수명이 길고, 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도가 빠르며, 1회 사용 비용이 낮고, 성능이 더 높습니다. 게다가, 그것은 더 환경 친화적입니다.
낮은 자가 방전율도 언급할 가치가 있을 수 있습니다. NiCad 배터리는 자가 방전율이 20%로 낮습니다. 여전히 월 3.5%의 자가 방전율을 보이는 리튬전지보다는 높지만 기존의 다른 배터리에 비해서는 상대적으로 낮은 수준입니다.
NiCad 배터리는 1000-2000회의 긴 사이클 수명을 가지며 높은 전류 출력도 제공합니다.
4.2. 단점
오늘날 NiCad 대 리튬 배터리 사용의 주요 단점은 이 배터리가 환경 친화성이 떨어지는 것입니다. 카드뮴은 대표 독성 물질로 환경에 해롭습니다.
또한 잦은 충전은 시간이 지남에 따라 배터리의 성능을 저하시킬 수 있습니다.
마지막으로 NiCad vs 리튬 배터리는 강력한 메모리 효과가 있으므로 충전하기 전에 니켈카드뮴 배터리를 방전이 권고 됩니다.
5. 니켈카드뮴 배터리와 납산 배터리보다 리온 배터리가 더 좋은 이유?
니켈카드뮴 배터리는 오랜 기간 동안 사용되었지만, 현재는 더 발전된 리튬이온(Li-ion) 배터리 등으로 대체되고 있습니다. 배터리 선택 시 사용 목적과 조건에 따라 적절한 배터리를 선택하는 것이 중요합니다.
배터리가 발명된 이후, 배터리의 성능에 영향을 미치는 문제들을 해결하기 위한 변화들이 있었고 그 중 리튬 이온 셀들은 가장 혁신적인 개발을 이루었습니다.
오늘날, 전고체 리튬 이온 배터리와 4680 개의 큰 원통형 배터리와 같은 더 발전되고 진전된 리튬 배터리 기술이 등장했고, 이러한 기술은 4차 산업혁명의 무수한 전자 장비에 도입되어 장기적으로 안정적인 전력공급에 기여할 것입니다.
사실, 기기와 장비에 동력을 공급하는 데 가장 적합한 배터리에 대한 논쟁은 지금까지도 많은 고객들을 혼란스럽게 했습니다. 하지만 충전된 리튬이온이 구형 배터리 모델에 비해 많은 여러 장점들이 있기 때문에 앞으로 리튬이온이 지금도 그렇고 쭉 대세가 되리라는 것에 의심의 여지가 없습니다.
① 화폐가치
리튬 이온 배터리는 최대 4,000회의 매우 긴 사이클 수명을 가지고 있기 때문에 사용자에게 실질적인 가치를 제공합니다. 리튬이온 배터리를 하루에 한 번만 재활용하면 10년 동안 사용할 수 있습니다. 또한 다양한 장치와 장비가 제공하는 공간에 맞는 매우 표준적이고 상용적인 크기로 제공됩니다. NiCad 대 리튬 배터리는 리튬 이온 배터리와 비교하여 사이클 수명이 1,000-2,000회로 짧으며, 이는 리튬 이온 배터리가 NiCad 배터리보다 비용으로부터 합리적이라는 것을 보여줍니다.
② 스피드
리튬 배터리는 리튬 이온의 활성화된 특성 때문에 NiCad 배터리보다 더 빠르게 충전됩니다. 이것은 우리가 보통 NiCad vs 리튬에 대해 이야기할 때 더 많은 사용자들에게 사랑받는 이유입니다.
③ 안전
제조에 사용된 물질에 독성이 있는지 여부를 고려할 때 배터리의 안전성은 주요 관심사입니다. 좋은 소식은 NiCad 대 리튬 배터리가 환경 오염을 일으키겠지만 환경 친화적이기 때문에 리튬 배터리는 사용하기에 매우 안전하다는 것입니다. 또한 리튬 이온 배터리는 배터리 관리 시스템을 갖추고 있어 안전성을 강화하고 화재 위험을 피할 수 있습니다.
④ 경량
최고의 리튬 배터리는 시중에 나와 있는 모든 종류의 배터리 중 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 가볍고 휴대성이 뛰어납니다.
일반 Ni-Cd 셀을 완전히 충전한 후 방전하는 데 걸리는 시간을 알고 싶을 수 있습니다.
⑤ NiCad 배터리는 얼마나 지속되나? NiCd를 몇 번 충전할 수 있습니까?
-> NiCad 배터리는 표준 충전 시간이 없습니다. 이는 배터리 용량과 부하의 전류에 크게 좌우됩니다.
하지만 가이드라인으로서 충전율은 배터리를 정해진 시간 내에 정격 용량까지 충전하는데 필요한 정전류값을 말합니다. 충전 가능 횟수는 Ni-Cad 배터리의 사이클 수명이 1000-2000회 사이입니다. 이 사이클 수명은 일반적인 납축 배터리보다 높지만 리튬 이온 배터리의 절반에 불과합니다.
⑥ NiCad 배터리는 특별한 충전기가 필요한가요? NiCad 충전기로 리튬 배터리를 충전할 수 있습니까?
-> NiCad 배터리 한 개의 전압은 1.2V이므로 충전기 전압도 약 1.2~1.5V가 되어야 합니다. 리튬이온 배터리는 리튬이온 배터리 전용 충전기를 사용해야만 충전할 수 있어 배터리 수명에 가장 유리하고 안전 위험을 제거합니다.