축전지(蓄電池, Storage Battery, Secondary Battery)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 변환하여 저장하였다가, 필요할 때 다시 전기 에너지로 변환하여 공급하는 장치를 말한다. 한 번 쓰고 버리는 일차 전지와 달리 충전(充電)과 방전(放電)을 반복하여 재사용할 수 있으므로 이차 전지(二次電池) 또는 충전식 전지라고도 불린다. 영어로는 accumulator 또는 rechargeable battery로 표기한다.
정의와 원리
축전지는 양극(캐소드, Cathode)과 음극(애노드, Anode), 이 둘을 분리하는 분리막(Separator), 그리고 그 사이를 이온이 이동할 수 있게 하는 전해질(Electrolyte)로 구성된다. 충전 과정에서는 외부 전원으로부터 전류를 공급받아 전극 활물질이 산화·환원 반응을 거쳐 화학 에너지로 변환·저장된다. 방전 과정에서는 저장된 화학 에너지가 다시 전기 에너지로 변환되어 외부 회로에 전류를 공급한다. 이때 충전과 방전에 따른 화학 변화는 가역적(可逆的)이어서, 그 과정을 반복적으로 수행할 수 있는 것이 축전지의 핵심 특징이다.
종류
대표적인 축전지의 종류는 다음과 같다.
- 납축전지(Lead-Acid Battery): 1859년 발명된 가장 오래된 축전지로, 전해액으로 황산 수용액을 사용하고 납과 이산화납을 전극 재료로 쓴다. 개당 기전력은 약 2.05V이며, 자동차용은 셀 6개를 직렬로 연결하여 12~13V를 만든다. 자동차 시동용 배터리 등에 오랫동안 사용되어 왔다.
- 니켈계 축전지: 니켈-카드뮴 전지(NiCd)와 니켈-수소 전지(NiMH) 등이 있으며, 알칼리 수용액을 전해질로 사용한다. 니켈-카드뮴 전지는 1899년 스웨덴의 융너(Jungner)가 처음 개발하였다.
- 리튬이온 전지(Li-ion): 전해질로 유기 용매를 사용하며, 무게가 가볍고 에너지 밀도가 높아 현재 휴대전화, 노트북, 전기자동차 등에 널리 사용된다. 다만 반응성이 높아 과충전·과방전 시 안전사고 위험이 있다.
- 리튬이온 폴리머 전지: 리튬이온 전지의 전해질을 젤(gel) 형태의 고분자로 대체한 것으로, 얇고 유연하여 다양한 형태로 설계할 수 있다.
활용 분야
축전지는 자동차의 시동을 보조하는 기기, 휴대용 전자기기, 무정전 전원 장치(UPS), 통신국사, 의료장비, 전력 저장 시스템(ESS), 전기자동차 등 광범위한 분야에서 사용된다. 최근에는 신재생에너지 발전과 결합한 에너지 저장 기술의 핵심 요소로도 주목받고 있다. 리튬이온 전지의 개발·발전에 기여한 스탠리 휘팀엄, 존 굿이너프, 요시노 아키라 등은 2019년 노벨 화학상을 수상하였다.
일차 전지와의 차이
일차 전지는 한 번 방전하고 나면 재사용이 불가능한 반면, 축전지는 여러 번 충전하여 재사용할 수 있어 경제적·환경적 측면에서 이점이 있다. 다만 일반적으로 일차 전지보다 가격이 높고, 충전 후에도 시간이 지나면 자연 방전에 의해 에너지를 잃는 정도가 일차 전지보다 크다는 특성이 있다.
