니켈-아연 전지

니켈-아연 전지(, Ni-Zn 전지 또는 NiZn 전지)는 니켈-카드뮴 전지와 유사한 이차 전지의 한 유형이지만, 더 높은 1.6 V의 전압을 가진다.

더 큰 니켈–아연 전지 시스템은 100년 이상 알려져 왔다. 2000년 이후 안정화된 아연 전극 시스템의 개발로 이 기술은 상업적으로 이용 가능한 다른 이차 전지 시스템과 경쟁할 수 있게 되었다. 다른 일부 기술과는 달리, 트리클 충전은 권장되지 않는다.

 역사 
1901년 토머스 에디슨은 충전식 니켈-아연 전지 시스템에 대한 를 부여받았다."Building A Better Battery", Kerry A. Dolan, Forbes.com, 포브스 magazine, 11 May 2009, Retrieved 2011-02-12, Forbes-44.

이 배터리는 나중에 아일랜드 화학자 제임스 J. 드럼(1897~1974)에 의해 개발되었고, 1932년부터 1949년까지 더블린-브레이 철도 노선에서 사용하기 위해 4개의 2량 드럼 동차 세트에 설치되었다. 성공적이었음에도 불구하고, 배터리가 소모되면서 철수되었다. 초기 니켈-아연 배터리는 소수의 방전-재충전 주기만을 제공했다. 1960년대에는 군용 은-아연 배터리의 대안으로 니켈-아연 배터리가 조사되었고, 1970년대에는 전기차에 다시 관심이 쏠렸다. 에버셀(Evercel Inc.)은 니켈-아연 배터리의 여러 개선 사항을 개발하고 특허를 받았지만, 2004년에 이 분야에서 철수했다.Evercel financial statement 2007 , Evercel.com, page 9, Retrieved 23 November 2010.

 응용 분야 
니켈-아연 전지는 1.2 V의 NiCd 또는 NiMH 셀과 유사한 충방전 곡선을 가지지만, 더 높은 1.6 V의 공칭 전압을 가진다.Battery-meter-problem, NiZn discharge curves and camera voltage cutoffs, PentaxForums.com

니켈-아연 전지는 고전류 방전 응용 분야에서 우수한 성능을 보이며, 납 축전지를 대체할 잠재력을 가지고 있는데, 이는 동일한 전력 대비 질량 에너지 비율과 질량 전력 비율이 더 높기 때문이다. 즉, 동일한 전력에 대해 질량이 25%밖에 되지 않는다. 니켈-아연 전지는 니켈-카드뮴 전지보다 저렴하며 니켈-카드뮴과 납 축전지 사이의 가격대가 될 것으로 예상된다. 니켈-아연은 니켈-카드뮴의 대체제로 사용될 수 있다. 유럽 의회는 카드뮴 기반 배터리 사용 금지를 지지해왔다. 니켈-아연은 전동 공구 및 기타 응용 분야에 좋은 대안이다. 단점은 약 30~50 사이클 후 자가 방전율이 증가하여 배터리가 새것처럼 오랫동안 충전 상태를 유지하지 못한다는 점이다. 이것이 문제가 되지 않는 경우, 니켈-아연은 고전력 및 고전압을 요구하는 응용 분야에 좋은 선택이다.

 전지 수명 
수산화 카드뮴과 비교할 때 가용성 수산화 아연 이온(아연산염)이 용액에 용해되어 재충전 시 캐소드로 완전히 돌아오지 않는 경향은 과거에 니켈-아연 전지의 상업적 타당성에 어려움을 제기했다.David Linden (ed)., Handbook of Batteries, McGraw Hill, 2002, , chapter 31. 아연 이차 전지의 또 다른 일반적인 문제는 전극 형상 변화와 덴드라이트 (또는 "수염")로, 이는 셀 방전 성능을 저하시키거나 결국 셀을 단락시켜 짧은 사이클 수명을 초래할 수 있다.

최근의 발전으로 이 문제가 크게 줄어들었다. 이러한 발전에는 전극 분리막 재료의 개선, 아연 재료 안정제 포함, 전해질 개선(예: 인산염 사용)이 포함된다. 파워제닉스(PowerGenix)는 NiCd 배터리와 유사한 배터리 사이클 수명을 주장하는 1.6V 배터리를 개발했다."A Brief History of Battery Developments", PowerGenix.com, 2010, Retrieved 12 February 2011. 

배터리 사이클 수명은 일반적으로 정격 용량의 80% 방전 깊이와 1시간 방전 전류율을 가정하여 명시된다. 방전 전류 또는 방전 깊이가 감소하면 배터리의 충전-방전 사이클 수가 증가한다. Ni-Zn을 다른 배터리 기술과 비교할 때, 사이클 수명 비교는 사용된 방전율 및 방전 깊이에 따라 달라질 수 있다.

 장점 
니켈-아연 셀은 완전히 충전되었을 때 1.85볼트의 개방 회로 전압과 New NiZn batteries offer lightning-fast recycle 1.65 V의 공칭 전압을 갖는다. 이로 인해 Ni-Zn은 대부분의 이차 전지(대부분의 회로는 약간 높은 전압을 허용)의 1.2 V 대신 알칼리 전지의 1.5 V를 요구하는 전자 제품에 특히 적합하며, 일반적으로 알칼리 전지의 종단 전압을 넘어서면 제대로 작동하지 않는다. 1.2 V 이차 전지의 출력 전압은 완전히 방전되기 전에 이 지점까지 떨어진다.

다중 셀 배터리에 사용할 때, Ni-Zn 셀의 더 높은 전압은 동일한 전압에 대해 NiCd 및 NiMH보다 적은 셀을 필요로 한다. 이들은 낮은 내부 온저항 (일반적으로 5 밀리옴)을 가지며, 이는 최대 50C의 높은 배터리 방전율을 허용한다. (C는 Ah 단위의 배터리 용량을 1시간으로 나눈 값이다.)

더 강력하고 최대 800 사이클의 수명을 가진 새로운 셀은 리튬 이온 전지의 대체제가 될 수 있다.

니켈-아연 배터리는 수은, 납, 카드뮴 또는 금속 수소화물을 사용하지 않으며, 이들은 모두 재활용하기 어려울 수 있다. 니켈과 아연은 모두 자연에서 흔히 발견되는 원소이며, 완전히 재활용될 수 있다. NiZn 셀은 가연성 활성 물질이나 유기 전해액을 사용하지 않으며, 후기 설계에서는 덴드라이트 문제를 줄이는 고분자 분리막을 사용한다.

적절하게 설계된 NiZn 셀은 매우 높은 전력 밀도와 우수한 저온 방전 성능을 가질 수 있으며, 거의 100%까지 방전되고 문제 없이 재충전될 수 있다.  F 크기까지, 그리고 50Ah/프리즘 셀로 사용할 수 있다.

아연은 지구 지각에서 24번째로 풍부한 저렴하고 풍부한 금속이며, 건강에 위험하지 않다. 일반적인 산화는 +2이므로, NiMH 배터리처럼 전하 및 방전이 1개 대신 2개의 전자를 이동시킨다.

 충전 
니켈-아연 전지용 충전기는 셀당 완전히 충전되었을 때 1.85 V의 전압을 가진 배터리를 충전할 수 있어야 하며, 이는 NiMH의 1.4 V보다 높다. NiZn 기술은 빠른 재충전 주기에 매우 적합하며, 최적의 충전 속도인 C 또는 C/2가 선호된다.

알려진 충전 방식으로는 셀 전압이 1.9 V에 도달할 때까지 C 또는 C/2의 정전류로 충전하는 방식이 있다. 한 제조사는 셀 전압이 1.9 V에 도달할 때까지 C/4에서 C의 정전류로 충전한 다음, 충전 전류가 C/40으로 감소할 때까지 1.9 V의 정전압으로 계속 충전할 것을 권장했다.

최대 충전 시간은 2009년에 약 3시간으로 명시되었다. 일단 충전되면, 재결합이 제공되지 않으므로 지속적인 트리클 충전은 권장되지 않으며, 과도한 수소가 결국 배출되어 배터리 사이클 수명에 악영향을 미친다. 일부 NiZn 배터리 충전기는 배터리가 완전히 충전된 후 트리클 충전하지 않고 차단된다고 명시하고 있다.

 화학 
(−) 전극: 		 Zn + 4 OH−  Zn(OH)42− + 2e− (E0 = −1.2 V/SHE )

전해질: KOH

Zn(OH)42−  Zn(OH)2 + 2OH−
Zn(OH)2  ZnO + H2O

(+) 전극: 	      2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e−   2 Ni(OH)2 + 2 OH− (E0 = +0.50 V/SHE)

총 반응: 	   Zn + 2 NiO(OH) + H2O   ZnO + 2 Ni(OH)2

기생 반응: 	  Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2

 같이 보기 
 배터리 종류 비교
 배터리 크기 목록
 배터리 종류 목록
 니켈-카드뮴 전지
 아연공기전지

 각주 

분류:이차 전지
분류:아연
분류:니켈