리드산 배터리 작동 원리 | 리드산 2차 저장 배터리
납산 배터리 작동 원리
저장 배터리 또는 이차 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장할 수 있는 배터리입니다. 이 화학 에너지는 필요할 때 전기 에너지로 변환됩니다. 외부 전원을 사용하여 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 것을 배터리 충전이라고 합니다. 반면에 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 부하를 공급하는 것은 이차 배터리의 방전이라고 합니다.
배터리 충전 중에는 전류가 배터리를 통과하여 배터리 내에서 일부 화학적 변화가 발생합니다. 이러한 화학적 변화는 형성 과정에서 에너지를 흡수합니다.
배터리가 외부 부하에 연결되면, 화학적 변화가 역방향으로 일어나며, 이때 흡수된 에너지가 전기 에너지로 방출되어 부하에 공급됩니다.
이제 납산 배터리의 작동 원리를 이해해보겠습니다. 이를 위해 먼저 널리 사용되는 저장 배터리 또는 이차 배터리인 납산 배터리에 대해 논의하겠습니다.
납산 저장 배터리 셀에 사용되는 재료
납산 배터리를 구성하기 위한 주요 활성 물질은 다음과 같습니다.
납 산화물 (PbO2)
스폰지 납 (Pb)
희석 황산 (H2SO4)
납 산화물 (PbO2)
양극 플레이트는 납 산화물로 만들어집니다. 이 물질은 어두운 갈색이며, 단단하고 부서지기 쉽습니다.
스폰지 납 (Pb)
음극 플레이트는 순수한 납으로 만들어져 소프트 스펀지 상태입니다.
희석 황산 (H2SO4)
납산 배터리에 사용되는 희석 황산은 물 : 산 = 3:1의 비율을 가집니다.
납산 저장 배터리는 납 산화물 플레이트와 스펀지 납 플레이트를 희석 황산에 담근 후 외부 부하를 이들 플레이트 사이에 연결하여 형성됩니다. 희석 황산에서는 황산 분자가 양성 수소 이온 (H+)과 음성 황산 이온 (SO4 − −)으로 분리됩니다. 수소 이온이 PbO2 플레이트에 도달하면, 여기서 전자를 받아 수소 원자로 변합니다. 이 수소 원자는 다시 PbO2와 반응하여 PbO와 H2O (물)을 형성합니다. 이 PbO는 H2 SO4와 반응하여 PbSO4와 H2O (물)을 생성합니다.
SO4 − − 이온은 용액에서 자유롭게 움직이며, 일부는 순수한 Pb 플레이트에 도달하여 추가적인 전자를 제공하고 라디칼 SO4로 변합니다. 이 라디칼 SO4는 혼자 존재할 수 없으므로 Pb와 반응하여 PbSO4를 생성합니다.
H+ 이온이 PbO2 플레이트로부터 전자를 가져오고, SO4 − − 이온이 Pb 플레이트에 전자를 제공함으로써, 이 두 플레이트 사이에 전자의 불균형이 생깁니다. 따라서 이 불균형을 균형잡기 위해 외부 부하를 통해 전류가 이 두 플레이트 사이를 흐릅니다. 이를 납산 배터리의 방전이라고 합니다.
납 황산염 (PbSO4)은 희미한 색을 띕니다. 방전 중에는,
두 플레이트 모두 PbSO4로 덮여 있습니다.
PbO2 플레이트에서 물이 생성되면서 황산의 비중이 감소합니다.
따라서 방전 과정에서 플레이트 사이의 전위차가 감소합니다.
이제 부하를 해제하고 PbSO4로 덮힌 PbO2 플레이트를 외부 DC 전원의 양극에, PbSO4로 덮힌 Pb 플레이트를 음극에 연결합니다. 방전 중에도 황산의 밀도가 감소하지만 여전히 용액에 황산이 존재합니다. 이 황산은 H+와 SO4− − 이온으로 남아 있습니다. 양성으로 대전된 수소 이온 (양이온)은 DC 전원의 음극에 연결된 전극 (음극)으로 이동합니다. 여기서 각 H+ 이온은 그곳에서 하나의 전자를 받아 수소 원자로 변합니다. 이러한 수소 원자는 PbSO4와 반응하여 납과 황산을 생성합니다.
SO4− − 이온 (음이온)은 DC 전원의 양극에 연결된 전극 (양극)으로 이동하여 그들의 추가적인 전자를 잃고 라디칼 SO4로 변합니다. 이 라디칼 SO4는 혼자 존재할 수 없으므로 양극의 PbSO4와 반응하여 납 산화물 (PbO2)과 황산 (H2SO4)을 생성합니다.
