니켈-카드뮴 전지(Nickel–cadmium battery, NiCd battery)는 양극에 산화 니켈(구리산화 니켈, NiO(OH))을, 음극에 카드뮴(Cd)을 사용하고 전해질로 알칼리성 수산화 칼륨(KOH) 수용액을 이용하는 2차 전지(충전 가능한 전지)이다. 전압은 셀당 약 1.2 V이며, 셀을 직렬·병렬 연결함으로써 다양한 전압 및 용량을 구현한다.
개요
- 발명·상용화: 1899년 스위스의 스벤스톤에 의해 최초의 니켈-카드뮴 전지 원형이 제시되었으며, 1950년대에 미국과 일본에서 대량 생산이 시작되어 휴대용 전자기기와 전동 공구 등에 널리 사용되었다.
- 구조
- 양극(+): 산화 니켈(수산화 니켈, Ni(OH)₂)과 그 산화물(NiO(OH))의 전기화학적 반응.
- 음극(–): 금속 카드뮴(Cd) 및 카드뮴 산화물(CdO).
- 전해질: 30 %~35 % 수산화 칼륨(KOH) 수용액.
- 분리막: 폴리머 또는 무기 섬유 소재로, 양극·음극 사이의 직접 접촉을 방지한다.
전기화학적 반응
-
방전
$$ \text{양극: } \mathrm{NiO(OH) + H_2O + e^- \rightarrow Ni(OH)_2 + OH^-} $$
$$ \text{음극: } \mathrm{Cd + 2OH^- \rightarrow Cd(OH)_2 + 2e^-} $$
전체 반응: $\mathrm{NiO(OH) + Cd + H_2O \rightarrow Ni(OH)_2 + Cd(OH)_2}$ -
충전은 위 반응의 역방향으로 진행된다.
특징
| 특성 | 내용 |
|---|---|
| 에너지 밀도 | 약 40–60 Wh·kg⁻¹(전압·용량 기준)로, 리튬이온 전지에 비해 낮다. |
| 내구성 | 충·방전 사이클 수가 1,000~2,000회 수준이며, 메모리 효과(충전 전 잔량에 따라 용량이 감소)와 온도에 민감한 전압 특성을 보인다. |
| 자체 방전 | 낮은 온도(≈−20 °C)에서는 자체 방전률이 낮지만, 실온에서는 10~20 %/월 수준으로 비교적 높은 편이다. |
| 안전성 | 과충전 시 가스 발생(산소·수소) 및 전해질 누출 위험이 존재한다. |
| 환경 영향 | 카드뮴은 중금속으로 인체·환경에 유해하므로, 사용 후 반드시 규제에 따라 재활용·폐기해야 한다. 한국에서는 ‘폐기물관리법’에 따라 전문 재활용업체에 회수된다. |
주요 활용 분야
- 전동 공구(드릴, 톱, 헤어드라이어 등)
- 무선 전화기·무전기(특히 군용·항공용)
- 전동식 교통수단(전동 휠체어, 전동 스쿠터)
- 항공·우주(비상 전원, 위성의 보조 전원)
경쟁 및 대체 기술
1990년대 후반부터는 에너지 밀도와 메모리 효과가 비교적 적은 리튬 이온 전지(Li‑ion battery)와 리튬 폴리머 전지(Li‑polymer battery) 등이 시장을 장악하면서, 니켈‑카드뮴 전지의 비중은 점차 감소하였다. 다만, 높은 방전 전류와 저온에서의 안정성을 요구하는 특수 용도에서는 여전히 사용된다.
재활용 및 폐기
- 수거: 사용이 종료된 전지는 별도 회수함에 넣어 지방자치단체·전기·전자제품 재활용업체에 전달한다.
- 전처리: 외부 플라스틱·금속을 분리하고, 전해질을 중화한다.
- 금속 회수: 카드뮴과 니켈은 화학적·전기적 공정을 통해 순수 금속 혹은 합금 형태로 회수한다.
- 재사용: 회수된 금속은 새로운 니켈‑카드뮴 전지 제조 또는 다른 금속 제품 생산에 활용된다.
안전 및 취급 주의점
- 충전 시 전압을 1.45 V 이하로 제한하고, 전용 충전기를 사용한다.
- 물리적 충격이나 과열을 피하며, 배터리 외관에 부풀음·누액이 확인될 경우 즉시 사용을 중단한다.
- 어린이의 손이 닿지 않는 곳에 보관하고, 직사광선·고온(≥45 °C) 환경을 피한다.
참고 문헌
- 한국전기연구원, “니켈‑카드뮴 전지(전기화학 성능 및 안전성)”, 2022.
- 국제전기표준회(IEC), “IEC 60896‑1: Secondary cells and batteries – Nickel‑Cadmium cells – Part 1: General requirements”.
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