에너지 저장 장치로서의 배터리

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에너지 저장 장치로서의 배터리

배터리는 배터리의 활성 단위가 셀인 화학 에너지 저장 장치입니다.

배터리 파트 1 – 에너지 저장 장치

배터리는 전류를 공급하는 에너지 저장 장치입니다. 전기 및 전자 회로는 그 주위에 전류가 흐르기 때문에만 작동하며, 이전에 살펴보았듯이 전류는 음전하를 띤 자유 전자의 형태로 폐쇄 회로 주위에 전하(Q)가 흐르는 흐름입니다.

그러면 전류는 전하의 이동에 지나지 않습니다. 그러나 전류가 도체를 통해 폐쇄 회로 주위로 흐르려면 전류를 이동시키는 작업이 수행되어야 하며 결과적으로 에너지가 소비됩니다. 즉, 전기 에너지는 다른 전하의 인력 또는 반발에 의해 어떤 형태의 일을 수행할 수 있는 능력을 가진 전하를 띤 전자의 흐름과 관련된 에너지입니다.

전하가 일할 수 있는 능력을 전위라고 하며, 모든 전하의 전위차를 합산하여 기전력 ( emf)이라고 합니다. 전자의 움직임이나 흐름을 전류라고 부르기 때문입니다.

전류의 흐름을 생성하려면 전자가 전위차에 의해 움직여야 합니다. 전위차의 기본 단위는 볼트(V)로, 전자를 강제로 이동시키는 일을 하는 능력을 나타낸다. 회로 주위에 전기 에너지를 이동시키기 위해 전압을 생성할 수 있는 세 가지 기본 방법이 있습니다.

 

• 전자기 유도: 발전기, 발전기 또는 발전기를 사용하여
• 화학 에너지: 배터리 또는 연료 전지 사용
• 태양광 발전: 태양광 태양전지에 의해 생성됨

배터리는 화학 에너지 저장 장치입니다

배터리는 내부에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 작동하는 전기화학 장치입니다. 배터리라는 용어가 널리 사용되지만 배터리의 기본 전기화학 단위는 셀 입니다 .

배터리는 일반적으로 필요한 출력 전압과 용량을 제공하기 위해 직렬이나 병렬 또는 둘 다의 조합으로 함께 연결된 두 개 이상의 개별 셀로 구성됩니다. 예를 들어 225mAh(밀리암페어시)에서 3V, 1600mAh에서 9V, 40Ah(암페어시)에서 12V 등입니다.

단일 배터리 셀은 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 1. 양극 단자 또는 전극, 2. 음극 단자 또는 전극, 3. 양극과 음극 전극 사이의 전하 이동을 위한 매체를 제공하는 전해질 용액. 이 두 전극("극"이라고도 함)은 항상 서로 다른 금속으로 만들어지며, 전해질 용액은 일반적으로 이온을 포함하는 액체 또는 젤입니다.

배터리 셀 기호

 

위쪽의 긴 선은 항상 배터리나 셀의 양극 단자 또는 전극을 나타냅니다. 왜냐하면 이를 반으로 나누어 두 개의 반쪽을 더하기 기호(+)로 만들 수 있기 때문입니다. 더 작은 아래쪽 선은 더 짧기 때문에 항상 음수 기호(-)를 나타냅니다. 따라서 회로도에 플러스(+)와 마이너스(-) 기호를 항상 표시할 필요는 없습니다.

셀 단자와 전극이 외부 회로에 연결되면 음극에서 전자를 방출하는 화학 반응이 발생합니다. 이 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 다시 흐릅니다. 전해질 용액은 이온이 전극 사이를 흐르게 하여 전하의 균형을 맞추고 전류 흐름을 유지합니다.

세포 내부에서 생성되는 모든 화학 반응이 사용을 통해 고갈되면 전류 흐름이 중단됩니다. 이제 배터리 셀이 완전히 방전되었다고 합니다. 즉, 배터리 셀에는 자유 전자가 "비어 있습니다".

배터리 셀 내부에서 일어나는 화학 반응은 셀의 화학적 구조와 유형에 따라 다릅니다. 배터리는 일반적으로 1차 배터리 또는 2차 배터리 유형 으로 분류됩니다 .

1차 배터리는 일상적으로 사용되는 일반적인 비충전식 배터리입니다. 즉, 비어 있을 때(방전될 때) 폐기되고 재활용됩니다. 반면, 충전용 배터리 또는 축전지라고도 알려진 2차 배터리는 방전 전류의 반대 방향으로 전류를 흘려 여러 번 재충전할 수 있습니다. 이렇게 하면 화학 반응이 역전되어 배터리가 원래 상태로 복원됩니다.

2차 축전지는 이제 차량, 휴대전화, 노트북, 휴대용 장치에 일반적으로 사용되며, 야간 사용을 위해 태양광 발전 전력을 저장하는 데에도 사용됩니다.

일반적인 1차 전지 유형 및 전압:

• 아연-탄소: 1.5V
• 알칼리성: 1.5V
• 리튬 이온(Li-ion): 1.8~3.65V
• 산화제2수은: 1.35~1.4V

2차 전지 유형 및 전압:

• 납산(LA): 2.1V
• 니켈-카드뮴(NiCd): 1.2V
• 은-아연: 1.5V

그러면 배터리 구성에 사용되는 화학 물질의 유형에 따라 외부 부하에 전류를 공급할 때 완전히 충전된 단일 배터리 셀에 대해 양극과 음극 사이의 전위차가 약 1.5V임을 알 수 있습니다. 따라서 더 높은 전압 잠재력을 가지려면 두 개 이상의 개별 배터리 셀을 함께 연결하여 셀 배터리 또는 단순히 배터리를 형성해야 합니다 .

그러면 "배터리"는 두 개 이상의 개별 전기화학 셀의 조합에 지나지 않으며, 표시된 대로 일련의 문자열로 함께 연결된 여러 개별 셀 기호를 표시하는 배터리에 사용되는 회로도 기호입니다.

표준 배터리 기호

 

이전에 언급한 바와 같이, 1차 전지든 2차 전지든 특정 종류의 전지에서 생성되는 전압은 전지 자체의 화학적 구성에 의해 결정되며 단일 전지의 출력보다 더 큰 전압을 얻으려면 여러 개의 전지를 연결해야 합니다. 세포를 함께.

 

그러면 배터리의 단자 전압은 모든 셀 전압을 합산한 값이 됩니다. 따라서 6개의 표준 아연-탄소 셀이 있는 경우 공칭 전압 출력은 그림과 같이 6 x ​​1.5 또는 9.0V가 됩니다.

세포의 배터리

 

분명히, "n"개의 셀이 함께 연결된 경우 배터리 출력 단자의 전위차는 각 단일 셀의 전위차의 "n"배가 됩니다. 동일한 유형의 배터리 셀을 사용해야 하며, 서로 다른 유형의 셀을 혼합하여 배터리를 만들 수는 없습니다.

완전한 배터리를 함께 연결하는 경우에도 동일한 아이디어가 적용됩니다. 예를 들어 9V PP3 알카라인 배터리 3개를 직렬로 연결하면 3 x 9 = 27.0V 공급이 생성됩니다.

배터리 셀 극성

배터리 셀 극성은 셀의 양극 ( + ) 및 음극 ( - ) 단자 의 방향을 나타냅니다 . 대부분의 배터리 셀에는 극성을 나타내는 명확한 표시가 있습니다. 위의 배터리 셀 기호에서 가로의 긴 선은 양극, 세로의 짧은 선이 음극을 나타냅니다. 따라서 셀을 연결할 때 배터리 극성에 따라 전류 흐름 방향이 결정되므로 배터리 극성을 이해하는 것이 중요합니다.

회로 주변의 기존 전류 흐름

 

" 기존 전류 흐름 "을 가정하면, 셀의 양극 단자는 전류가 다른 셀이나 연결된 장치에서 흘러나오고 들어가는 곳입니다. 일반적으로 더하기 기호(+)로 표시됩니다. AA, AAA 등과 같은 원통형 배터리의 경우 양극 단자는 일반적으로 돌출된 끝 부분입니다. 음극 단자는 전류가 외부 회로에서 배터리로 유입되는 곳입니다. 마이너스 기호(-)가 표시되어 있거나 양극 단자에 비해 더 평평합니다.

실제로 기존의 전류 흐름은 회로 주변의 양전하(정공)가 양극에서 음극으로 흐르는 것입니다. 그런 다음 기존 전류 흐름은 전류가 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 가정하고 모든 회로도 및 회로도에서 다이오드 및 트랜지스터와 같은 구성 요소에 대한 기호에 표시된 화살표는 기존 전류 흐름 방향을 가리킵니다.

회로 주변의 전자 흐름

 

회로 주변의 실제 전자 흐름은 배터리 셀의 음극(음극)에서 배터리 셀의 양극(양극)으로 다시 돌아가는 기존 전류 흐름 방향과 반대입니다.

즉, 음극에서는 음전하를 띤 전자 사이의 척력과 양극에서는 정공의 인력에 의해 전자가 음극에서 양극으로 이동하게 됩니다. 전자가 음에서 양으로 실제로 이동하는 것을 일반적으로 " 전자 흐름 " 이라고 합니다 .

전자 흐름의 방향은 음극에서 양극으로인 반면, 기존 전류 흐름으로 표시되는 전류는 양극에서 음극으로 이동한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 양극에서 음극으로, 일관성과 이해의 용이성을 위해 회로도 및 전기 계산에 사용됩니다.

그러나 많은 교과서에서는 기존의 전류 흐름과 전자 흐름을 모두 사용합니다. 실제로 방향을 일관되게 사용하는 한 전류가 회로 주위로 흐르는 방향은 아무런 차이가 없습니다. 전류 흐름의 방향은 회로 내에서 전류가 수행하는 작업에 영향을 미치지 않습니다. 일반적으로 기존 전류 흐름(양수에서 음수)을 이해하는 것이 훨씬 쉽습니다.

A 배터리 암페어 시간 용량 등급

배터리가 자체적으로 저장할 수 있는 에너지의 양을 용량 이라고 합니다 . 배터리 또는 셀은 전하를 화학 에너지의 형태로 저장한 다음 이를 전기 에너지로 변환하여 특정 시간에 사용할 수 있습니다. 그러면 충전된 배터리의 에너지 보유량이 고갈되기 전에 회로를 통해 전류를 이동시키기 위한 제한된 수의 화학 반응이 있어야 합니다.

따라서 우리는 생산할 수 있는 총 전자 수로 배터리 용량을 측정할 수 있지만 쿨롱( C ) 단위가 6.25 x 10 18 전자 와 같기 때문에 이는 엄청난 숫자가 됩니다 . 일반적으로 셀이 클수록 더 많은 전기 에너지를 공급할 수 있으며 사용 가능한 에너지의 양은 셀 또는 배터리의 용량이며 일반적으로 Ah(암페어 시간)로 표시됩니다.

축전지 용량 Q (암페어시 단위)는 축전지에 의해 공급되거나 저장될 수 있는 전하량입니다. Amp-hour 용량은 주어진 시간 t (초 )당 전류 강도 i( 암페어( A )) 의 곱입니다 . 즉, Q = ixt 입니다 . 따라서 t 가 시간 단위인 경우 Q 는 암페어시(Ah) 단위입니다. 왜냐하면 1암페어 시간 = 3600쿨롱이고, 1암페어 = 초당 전자 1쿨롱이고 1시간 = 3600초이기 때문입니다.

그러면 배터리 암페어시 정격은 기본적으로 배터리(또는 셀)가 특정 양의 전류를 공급할 수 있는 시간 수이며, 10암페어시 용량의 배터리는 최대 10암페어의 전류를 공급할 수 있어야 합니다. 완전히 방전되기 전에 정확히 1시간 동안 연결된 부하에 전압을 공급합니다. 따라서 5 x 2 = 10이므로 10암페어 시간 배터리는 1/2시간 동안 20암페어를 공급하거나 2시간 동안 5암페어를 공급하게 됩니다.

에너지 저장 장치로서의 배터리 예시 No1

1). 3일 동안 500mA(0.5A)를 지속적으로 공급하려면 배터리가 필요합니다. 배터리의 암페어시 정격은 얼마입니까? 2). 두 번째 배터리의 정격 용량은 100Ah입니다. 2.5암페어를 몇 시간 동안 연속적으로 공급할 수 있습니까?

1. 3일 = 3 x 24시간 = 72시간

아 = I x 시간 = 0.5 x 72 = 36Ah

2. 시간, t(시간)

t = 아 ¼ I = 100 ¼ 2.5 = 40시간

분명히 배터리(또는 셀) 용량(Ah)은 물리적 크기와 방전 속도에 따라 달라집니다. 10시간 동안 1암페어로 생성된 배터리 전해액 내부의 화학 반응은 5시간 동안 2암페어로 생성된 것과 동일하지 않기 때문입니다. 또는 1/2시간 동안 20암페어도 가능합니다. 또한 밀리암페어-시 단위로 표시되는 더 작은 용량 값(보통 mAh 로 약칭)은 더 작은 배터리에도 사용됩니다.

다양한 배터리 크기

 

배터리는 암페어 시간 용량에 따라 다양한 물리적 크기로 제공됩니다. 각 배터리 크기는 다음과 같은 특정 표준 크기 문자 코드로 지정됩니다.

• AAA(트리플-A) 배터리(1.5V)
• AA(더블-A) 배터리(1.5V)
• C 배터리(1.5V)
• D 배터리(1.5V)
• 랜턴 배터리 (6V)
• PP3 배터리(9V)
• CR2032 버튼 셀 배터리(3V)
• CR2025 코인셀 배터리(3V)

이러한 크기는 다양한 장치 간의 호환성을 보장하기 위해 표준화되었습니다. 소형 보청기부터 대형 손전등에 이르기까지 다양한 애플리케이션에는 적절한 전력을 제공하기 위해 다양한 배터리 크기가 필요합니다.

에너지 저장 장치로서의 배터리 요약

배터리는 기본적으로 필요할 때 편리하고 안정적인 DC 전기 에너지 소스를 생성하는 함께 연결된 셀 클러스터입니다. 배터리는 이해하기 쉽고, 저렴하고, 무게가 적당하고, 모든 종류의 응용 분야에 사용할 수 있도록 다양한 전압 및 전류 용량 구성이 가능하기 때문에 다양한 장치에 사용됩니다.

축전지에는 다양한 전기 등급과 사양이 있지만 가장 중요한 두 가지 배터리 사양은 단자 전압과 암페어-시간 전류 용량 등급입니다. 개별 셀에서 생성되는 전압의 양은 셀을 구성하는 재료에 따라 결정됩니다.

배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양을 용량이라고 하며, 배터리 셀이 전달할 수 있는 전력의 양을 현재 용량이라고 합니다. 배터리 용량은 셀의 물리적 크기, 사용되는 배터리 셀 유형, 전류 방전 속도, 단자 전압 및 사용 시간에 따라 달라집니다.

배터리 셀은 1차 셀 과 2차 셀로 분류됩니다 . 1차 전지는 재충전할 수 없는 전지이며, 일단 방전되면 새로운 전지로 교체해야 합니다. 1차 전지의 화학 반응으로 인해 전력이 생산됨에 따라 전극 중 하나가 침식되기 때문입니다.

반면에 2차 전지는 저장된 에너지가 고갈되면 방전 주기 동안 발생한 화학 반응을 역전시켜 재충전할 수 있습니다. 이는 DC 전원 공급 장치를 셀에 연결하여 수행됩니다.