마그네슘 배터리 | 마그네슘 배터리의 화학 구조
마그네슘은 고표준 전위를 가지기 때문에 일차 배터리의 양극 재료로 사용됩니다. 이는 가벼운 금속이며, 저렴한 금속으로 쉽게 구할 수 있습니다. 마그네슘/망간산(Mg/MnO2) 배터리는 동일 크기의 아연/망간산(Zn/MnO2) 배터리보다 두 배의 수명 즉, 용량을 가집니다. 또한, 고온에서도 저장 중에 용량을 유지할 수 있습니다. 마그네슘 배터리는 마그네슘 양극 표면에 자연적으로 형성되는 보호 피막 덕분에 매우 내구성이 있고 저장 가능합니다.
마그네슘 배터리는 부분적으로 방전된 후에는 저장성이 손실되므로 장기간 간헐적인 응용 분야에 적합하지 않습니다. 이것이 마그네슘 배터리가 인기를 잃고 리튬 배터리가 시장을 점유하는 주요 이유입니다.
마그네슘 배터리의 화학적 특성
일차 마그네슘 배터이에서 마그네슘 합금은 양극으로, 망간산은 음극 재료로 사용됩니다. 그러나 망간산은 음극에 필요한 전도성을 제공하지 못하므로, 아세틸렌 블랙을 혼합하여 필요한 전도성을 달성합니다. 퍼클로레이트는 전해질로 사용되고, 부식을 방지하기 위해 바륨과 리튬 크로메이트가 전해질에 첨가됩니다. 또한, 저장성을 개선하기 위해 마그네슘 수산화물이 이 혼합물에 추가됩니다.
양극에서 발생하는 산화 반응은,
음극에서 발생하는 환원 반응은,
전반적인 반응,
이 셀은 약 2볼트의 개방 회로 전압을 제공하지만, 셀 전위의 이론값은 2.8볼트입니다. 극단적인 환경 조건에서도 마그네슘의 부식 가능성은 매우 낮습니다. 원시 마그네슘은 습기와 반응하여 표면에 Mg(OH)2의 얇은 필름을 형성합니다.
이 마그네슘 과산화물의 얇은 필름은 마그네슘을 보호하는 부식 방지층 역할을 합니다. 또한, 크로메이트 처리를 통해 이 보호 효과가 크게 향상됩니다. 그러나 배터리의 방전으로 인해 이 보호 필름이 파손되거나 제거되면, 수소 가스 생성과 함께 부식이 발생합니다.
이것이 기본적인 마그네슘 배터리의 화학적 특성입니다.
마그네슘 배터리의 구조
구조적으로 원통형 마그네슘 배터리는 원통형 아연-탄소 배터리와 유사합니다. 여기서 마그네슘 합금은 배터리의 주 컨테이너로 사용되며, 이 합금은 마그네슘과 소량의 알루미늄 및 아연으로 구성됩니다. 망간산은 음극 재료로 사용됩니다. 망간산의 전도성이 좋지 않으므로, 이를 개선하기 위해 아세틸렌 블랙을 혼합합니다. 이는 음극 내부의 물을 유지하는 데에도 도움이 됩니다. 이 음극 혼합물에 바륨 크로메이트가 억제제로, 마그네슘 수산화물이 pH 버퍼로 첨가됩니다. 마그네슘 퍼클로레이트와 리튬 크로메이트가 물과 혼합된 것이 전해질로 사용됩니다. 탄소는 전류 수집기로서 음극 혼합물에 삽입됩니다. 전해질 용액으로 포화된 크래프트 종이는 양극과 음극 재료 사이의 분리재로 배치됩니다. 마그네슘 배터리의 밀봉 설계 시 특별한 주의가 필요합니다. 배터리의 밀봉이 너무 다공적이어서 저장 중에 배터리 내부의 수분이 증발하거나, 너무 비다공적이어서 방전 중에 생성된 수소 가스가 배출되지 않아서는 안 됩니다. 따라서 배터리의 밀봉은 내부의 수분을 유지하면서 동시에 수소 가스가 충분히 배출될 수 있도록 해야 합니다. 이를 위해 플라스틱 밀봉 위에 작은 구멍을 만들고, 이 구멍을 통해 과도한 가스가 나오면 압력으로 인해 변형되어 가스가 배출됩니다.
마그네슘 양극은 배터리의 외부 커버를 형성하지만, 탄소가 배터리의 외부 컨테이너를 형성하는 다른 마그네슘 배터리의 구조도 있습니다. 여기서 고도로 전도성인 탄소로 특수하게 형성된 컨테이너는 원통형 컵 형태로, 그 중심에서 막대 모양으로 돌출됩니다. 배터리의 양극은 마그네슘 원통 또는 드럼으로 형성되며, 그 직경은 탄소 컵의 절반 정도입니다. 음극 혼합물은 이 양극 원통 내부에 배치되며, 원통의 내벽과 분리재로 종이가 사용됩니다. 탄소 컵의 내부 표면과 양극 원통의 외부 표면 사이의 공간도 음극 혼합물로 채워지고, 여기에서도 양극 원통의 외부 표면은 분리재로 종이로 분리됩니다. 음극 혼합물은 망간산, 탄소 블랙, 그리고 소량의 수성 마그네슘 브로마이드 또는 퍼클로레이트 전해질을 혼합하여 생산됩니다. 양극 단자는 탄소 컵의 끝에 연결되고, 음극 단자는 양극 드럼의 끝에 연결됩니다. 전체 시스템은 얇게 접힌 주석 도금 강철 자켓으로 포장됩니다.
마그네슘 배터리의 장점
매우 좋은 자체 수명을 가지고 있으며, 고온에서도 오랜 시간 저장할 수 있습니다. 이러한 배터리는 20oC에서 최대 5년까지 저장할 수 있습니다.
동일 크기의 Leclanche 배터리에 비해 용량이 두 배입니다.
아연-탄소 배터리보다 더 높은 배터리 전압을 제공합니다.
비용도 적당합니다.
마그네슘 배터리의 단점
지연 작용(전압 지연).
방전 중 수소 발생.
사용 중 열 발생.
부분 방전 후 저장성이 나쁨.
이 배터리는 더 이상 상업적으로 제조되지 않습니다.
