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2014년 7월 19일 토요일

니켈-카드뮴 배터리(Ni-Cd Battery, 닉카드)에 관한 진실

이 자료는 직업적으로 충전 드릴을 많이 사용하는 사람으로서 니켈-카드뮴 배터리의 충전 특성에 대한 공부를 하던 중 인터넷에서 발굴한 영문 자료를 번역한 것이다.(오래되어 출처는 잊었다. 원문이 필요하신 분은 아래의 네이버 블로그에서 첨부한 파일을 Download 하십시요.
약간 오래된 자료이긴 하나 니켈-카드뮴 배터리에 관한 진실을 정확하게 서술했다고 생각된다.
그 양이 상당히 많아 오늘(2008년 12월 30일)에야 번역을 완료하였다.

이 내용은 네이버의 내 블로그(아래의 링크)에도 게시되어 있다.

니켈 카드뮴 배터리에 관한 진실

이 문서는 일차적으로 노트북 컴퓨터 또는 휴대폰용 니켈카드뮴 배터리를 사용하는 사람에게 필요한 것이다. 그러나 여기에 기술한 정보는 캠코더나 배터리 식 전동공구 기타 가전 기기 등에 니켈-카드뮴 배터리를 사용하는 경우에도 똑 같이 적용된다.


주의: 아래의 정보는 리튬-이온 배터리에는 적용되지 않는다.


니켈-카드뮴 셀은 2 차 대전 중 독일에서 발명되었다. Deutsche Akkumulatoren Gesellschaft 회사에서 최초로 생산 되었고 진공청소기를 아직도 "Hoovers"(최초의 진공청소기 메이커)라고 부르듯이 초기에는 "Deacs" (DeAk에서 연유) 이라는 제품명으로 알려졌다(주: 전지 한 개는 셀이라고 하고, 두 개 또는 그 이상의 셀의 집합을 배터리라고 부른다).

종전 후 독일의 전쟁 배상금의 일부로 니켈-카드뮴 셀의 특허권이 제시되었으나 미국의 토마스 에디슨이 50년 전에 획득한 Ni-Fe(Nickel-iron)셀과 그 원리가 매우 흡사하여 미국 특허청에서 등록이 거절 되었다. Ni-Fe 셀은 납산 배터리보다 성능이 낮고 출력을 오래 지속하지도 못하였고 납산 배터리의 2.0V에 비해 엄청 낮은 1.2V의 전압 밖에 만들지 못하였다. 그러나 Ni-Fe 셀은 사실상 불멸의 것이다. 그것은 철 케이스에 철 극판을 사용한다. 만일 자동차에 납산 배터리 대신 Ni-Fe 배터리를 적용 하였다면 배터리 메이커는 망했을 것이다. Ni-Fe 배터리는 매우 튼튼하여 여러 대의 자동차에 대를 이어가며 계속적으로 사용할 수 있었을 것이다. 이에 비해 납산 배터리의 극판은 엄청나게 약하다.

최초의 니켈-카드뮴 셀은 기존의 납산 배터리 및 Ni-Fe 셀에 비하여 크다란 장점 – 이것은 충전 중 가스를 발생하지 않기 때문에 밀봉할 수가 있다.(그 당시에는 밀봉 식 납산 배터리가 발명되지 않았다) - 이 있으며 또 다른 장점은 매우 큰 방전 전류를 견딘다는 것이다. 이 특성으로 배터리 식 모형 자동차 경주가 가능해 진 것이다. 이 경주는 보통 완전 충전된 배터리를 4분 내에 방전 시킨다. 납산 배터리 라면 그런 식의 방전에 견디지 못한다. 밀봉된 니켈-카드뮴 배터리는 2V의 납산배터리와 비교하여 3 가지의 불리한 점이 있다. 납산 배터리는 95% 방전 시까지 단자 전압이 2.1V에서 1.9V 까지 떨어지는 데 비해 니켈-카드뮴 셀은 평균 전압이 1.25V 밖에 되지 않고 무 부하 단자 전압 1.35V가 방전 중에는 1.1V까지 떨어지고 그 값은 Ah 용량에 따라 더 심할 수가 있다. 다른 관점으로 관리만 잘 하면 니켈-카드뮴셀은 납산 배터리에 비하여 2~3배 수명이 길다.(나는 근 20년 동안 사용하고 있는 배터리도 있다)

오늘날의 니켈-카드뮴 셀의 내부는 롤 케이크(초콜릿과 레몬 카스텔라 빵 사이에 크림을 넣어 같이 말아진 것을 상상하라) 와 비슷하다. 양 극은 철판으로 만들어 진다. 철판에 카드뮴이 도금된 음극은 그물 모양이고 니켈이 도금된 양극은 미세하게 짜인 그물과 같다. 두 극 판은 흡수지 같은 역할을 하는 다공성의 플라스틱 분리판(Separator)으로 분리되어 있다. 그 분리판은 수산화 칼슘 용액에 담근 것이다. 모든 니켈-카드뮴 셀은 셀 내부에서 발생하는 가스를 내보내기 위하여 안전밸브 역할을 하는 밀봉 장치가 설치되어 있다. 사용된 카드뮴의 양은 극히 미량(단순한 피막일 뿐이다)이어서 일반 사람들이 생각하는 정도로 환경에 나쁜 영향을 주는 것은 아니다.(카드뮴은 오렌지색 이나 노란색을 내기 위한 플라스틱의 착색제로서 광범위하게 사용되고 있으며 나사못의 도금에도 사용된다) 잘못 사용될 경우 셀의 반응과 밀접한 관계가 있으므로 니켈카드뮴 셀의 구조를 명심할 필요가 있다.
방전 시 음극의 카드뮴은 수산화 카드뮴으로 바뀌어 용액 속으로 들어간다. 충전 시 카드뮴은 다시 극판에 붙게 된다. 원리는 간단해 보이지만 일정한 조건을 만족 시키지 못하면 방전/충전으로 음극이 100% 원 상태로 복귀하지 못한다. 약한 전류의 방전은 카드뮴이 음극으로부터 균일한 상태로 빠져 나간다. 약한 전류의 충전은 양극 가까운 지점의 음극에 카드뮴이 집중적으로 피복된다. 이러한 방식의 충전/방전이 계속되면 Whisker라고 불리는 바늘 모양의 카드뮴 덩어리가 형성되어 점점 자라게 된다. 이 Whisker가 분리판을 뚫고 양극에 닿게 되면 그 셀은 단락 상태가 되어 더 이상 충전이 되지 않는다. 충전이 중단되면 그 카드뮴 덩어리는 자연 방전으로 저절로 살짝 녹아 단락 상태가 해소되기는 하나 셀은 용량이 현저히 저하되어 사용할 수 없게 된다.

이미 충전된 전지를 매우 약한 전류로 계속 충전을 하면 충전하는 동안 수소와 산소 가스가 발생하나 상호 재 결합하여 물이 된다. 이 원리는 음극보다 양극을 엄청 크게 만들었기 때문에 가능하다. 만일 셀이 급속 충전기에서 과 충전이 된다면 두 가스의 발생 속도가 재 결합 되는 속도 보다 빨라지고 높아진 가스 압력으로 안전 밸브가 열리고 물이 분출되어 결과적으로 용량이 저하된다.

만일 급속한 충전/방전으로 셀이 과열되면 증기가 발생되어 안전 밸브를 통하여 방출된다. 과열로 플라스틱 분리판이 녹을 수도 있다. 아주 낮은 전류의 충전/방전은 전해액이 계층화 되어 화학적 활성이 저하되고 결과적으로 셀의 용량을 저하시킨다. 이러한 문제는 셀을 장기간 방치할 때도 발생한다. 이러한 경우 급속한 충전과 방전을 몇 차례 되풀이 함으로서 전해액의 계층화 현상을 줄여 셀의 용량을 회복 시킬 수 있다.

배터리에 문제가 발생한다는 것은 그 중 다수의 셀에 문제가 발생하는 것을 의미하기 때문에 나는 신중하게 셀의 특성을 설명하였다. 배터리 내부에는 똑 같은 상태의 셀은 있을 수가 없다. 그르므로 어떤 셀은 다른 셀 보다 약간 용량이 클 수가 있다. 여러 개의 셀로 구성된 배터리에서 가장 취약한 셀이 방전 상태가 되면 그 배터리는 기능적 방전 상태가 된다. 그러나 이러한 방전 상태라 하드라도 나머지 대부분의 셀에는 약간의 전하가 남아 있다. 여기서 배터리를 계속 방전 시키면 가장 취약한 셀은 역 방향으로 충전이 된다. 카드뮴이 음극으로부터 떨어져 나와 양극에 달라 붙게 된다. 그 배터리가 다시 충전이 되면 역 방향으로 충전이 된 셀은 정상적인 충전 이전에 원상 복귀의 과정을 거치게 된다. 그 결과로 그 취약한 셀은 다른 셀 보다 항상 덜 충전이 되고 이러한 현상의 반복으로 점점 상태가 악화된다.

그르므로 배터리를 완전 방전 시키는 것은 매우 멍청한 짓이다! 그 결과 배터리의 수명 및 총 용량 또한 감소한다. 나는 “니켈-카드뮴 배터리는 완전 방전 시켜야 좋다”는 발상이 어디에서 나온 것인지를 모르겠다. 이 개념이 살릴 수 있는 많은 니켈-카드뮴 배터리를 못쓰게 만드는 원인이 되고 있다. “니켈-카드뮴 배터리는 완전 방전 시켜야 좋다”는 아이디어를 퍼뜨린 사람 눈앞에 망가진 니켈-카드뮴 배터리를 수북이 쌓아서 보여주고 싶다. 나는 이 자료를 통하여 니켈-카드뮴 배터리는 완전 방전 시켜야 한다고 믿고 있는 사용자들에게 절대로 완전 방전 시키면 안 된다는 사실을 주지 시킬 수 있을 것이라고 믿는다. 개별의 셀은 완전 방전 시킬 수 있으나 나는 완전 방전으로 얻어지는 어떠한 이득도 발견할 수 없었다.

니켈-카드뮴 배터리는 중(重)부하에 적합하다. 배터리 식 드라이버 드릴과 모형 자동차에 이상적이다. 주의 깊은 급속 충전과 급속 방전은 전해액의 계층화를 방지하고 Whisker의 발생률을 저하 시킨다. 이상적인 니켈-카드뮴 배터리 충전기는 그 충전 중 90%의 시간 동안 충전 시키고 10%의 시간 동안 방전 시키는 것이다. 이 방법을 적용 시키는 가장 간단한 방법은 반파 정류 방식을 충전기에 적용하는 것이다. (시판되는 일부 충전기에 이 방식이 도입되어 있다. 만일 이 방식을 적용하면 {한전 같은} 전기 사업자가 의의를 제기할 지도 모른다) 반 사이클 동안 정류기를 통한 전류로 배터리가 충전되고 나머지 반 사이클 동안 정류기가 전류의 흐름을 차단하고 바이패스 저항을 통하여 미약한 역 방향의 전류를 흘려 배터리를 약하게 방전 시키는 것이다. 이 충전 방식은 Whisker의 성장을 완전히 차단한다. 전해액의 계층화는 처음의 2/3 기간 동안 급속 충전을 시키고 나머지 1/3 기간 동안 보통 충전을 시키는 것이다. 니켈카드뮴 배터리는 일정하지 않은 보통 충전율로 배터리 내부의 이미 충전된 셀을 망가뜨리지 않고 취약한 셀을 충전 시킬 수 있도록 만들어져 있다. 모든 니켈-카드뮴 배터리에 적혀있는 충전 지시를 보면 셀은 용량보다 40%를 더 충전 시키도록 되어있다. 이 이유 중 하나는 충전/방전의 효율과 관계되는 것이고 또 하나는 배터리 내부의 취약한 셀이 부족 충전 되는 것을 방지하는 데 그 의미가 있다.

조금 더 발전된 충전기에는 열 감지기가 설치되어 있다. 이 열 감지기는 배터리의 셀이 뜨거워지기 시작하는 것을 감지한다. 전기 에너지가 화학적 변화를 일으키는 동안에는 조금의 열 밖에 나지 않아 셀은 뜨거워 지지 않는다. 만 충전이 되면 화학적 변화가 더 이상 없고 전기적 에너지는 전부 열로 바뀌어 셀의 온도가 상승하는 것이다. 만 충전 된 셀은 보통 충전 전류는 자체적으로 흡수하나 급속 충전의 경우 전류가 크기 때문에 과열 되면 앞서 언급한 바와 같이 급속히 셀의 성능 저하로 이어진다.

여러분이 필요로 하는 Whisker가 발생하지 않는 니켈-카드뮴 셀 충전의 전기적 지식은 다음과 같은 기본적 규칙(방전 전류는 충전 전류의 1/10일 것)에 따라 설계된다.

1. 트랜스의 교류 출력은 충전할 배터리 전압의 1.5 내지 2배 일 것
2. 보통 충전은 셀 용량의 1/10 전류로 충전한다. 예를 들면 2Ah 셀은 0.2A로 충전하고 방전(충전 중의)은 0.02A로 한다.
3. 정류용 다이오드는 충전 전류의 5 내지 10 배 용량의 것으로 한다.
4. 충전용 직렬 저항 값, Rc는 다음과 같이 계산한다.
(V = 전압, I = 전류, A, W = 와트).
Rc = (V
트랜스 - V 배터리)/(I 충전 x 2) 와트 W => I x R
(1/2 사이클 동안만 충전 시키므로 전류 값 I는 2를 곱한다.)
5. 정류기와 병렬로 연결된 저항 Rd는 다음과 같이 계산한다.
Rd = (V 트랜스 + V 배터리)/(I 방전 x 2) 와트 W <= 1W
6. 이 규칙은 보통 충전의 10배 전류로 충전하는 급속 충전의 경우에도 적용된다. 급속 충전은 주의 깊게 관찰하다가 셀이 따뜻해 지면 즉시 중단하여야 한다.

한 예로 부품의 값을 계산해 보겠다.
AA 사이즈 니켈-카드뮴 전지 4개를 보통 충전과 급속 충전을 한다고 가정하자.
충전 중 각 셀에는 1.5 볼트가 걸리므로 충전 중에는 배터리에 6 볼트가 필요하다. 그르므로 트랜스의 교류 전압은 12 볼트가 된다.
800mAh인 AA 셀의 보통 충전 전류는 80mA이고 급속 충전 전류는 800mA가 된다.
충전 전압은 12 볼트 - 6 볼트 = 6 볼트가 된다.
보통 충전 저항은 전파 정류 시 6/0.08 = 75 옴 이므로 반파정류의 경우 37.5 옴이 된다. 그르므로 급속 충전용 전파 정류 시의 저항은 1/10인 7.5옴 이므로 반파 정류 시는 3.75 옴이 된다. 보통 충전의 방전 전류는 8mA 이고 급속 충전 시의 방전 전류는 80mA 이다. 방전 전압은 12 볼트 + 6 볼트 = 18 볼트가 된다
그르므로 보통 충전의 방전 저항은 18/0.008을 2로 나눈 값 = 1125 (1.1k) 옴 이다. 급속 충전의 방전 저항은 110 옴 이다.
정류용 다이오드는 급속 충전의 10배 이므로 1N5401 다이오드가 적당하다.(많이 사용하는 것이다)

위의 예에서 잠깐 고려할 점이 있다. 1N5401 다이오드는 도통 시 약 0.5 볼트의 전압 강하가 발생한다. 이로 인하여 충전 전압이 5.5 볼트로 떨어진다. 실제로 보통의 12 볼트 트랜스의 출력 전압은 12 볼트 보다 살짝 높다. 어댑터 등에 사용하는 소형 트랜스의 경우 저 전류에서 출력 전압은 규격 값 보다 훨씬 높다. 보통의 어댑터는 전파정류를 사용하므로 반파 정류만 사용하는 이 “맥류” 충전기에는 적합하지 않다.

자동차용 전구를 사용하여 충전기를 만들 수 있다.

이 방법의 장점은 충전이 진행되는 것을 쉽게 볼 수 있으며 발생되는 열의 냉각에 신경 쓸 필요가 없는 점이다. 자동차용 12 볼트 전구의 저항 계산은 144/와트 (V^2/와트=저항 이므로)로 하면 된다. 6 와트짜리 후미 등은 144/6 = 24 옴이고, 21 와트 브레이크 등은 144/21 = 6.8 옴이 된다. 전구의 저항이 필요한 방전 저항 값과 꼭 맞지 않는 점에 대해 너무 걱정할 필요가 없다. 혹시나 출력이 단락 되어 전구가 끊어지는 것을 방지하기 위해 전구의 전압 규격은 트랜스 전압 정도로 높은 것이 좋다 계산된 저항 값의 반이 필요하면 비슷한 전구 두 개를 병렬로 연결하고 두 배가 필요하면 전구 두 개를 직렬 연결하면 된다. 이 경우 견딜 수 있는 전압도 두 배가 된다.

<"맥류" 충전기의 기본 구조>
< "맥류" 충전기의 기본 구조>
충전용 저항으로 전구를 활용하기전구의 장점은 일반적인 저항에 비하여 열의 발산이 쉽게 이루어 진다는 것이다.

12 볼트 자동차용 전구의 저항 값2.2W 65 옴 - 2.5W 57 옴 - 3W 48 옴 - 6W 24 옴 - 18W 8 옴 - 21W 6.8 옴 - 36W 4 옴 - 48W 3 옴 두 개 또는 그 이상의 전구를 직렬 또는 병렬로 연결하여 원하는 저항 값을 얻는다. 전구의 전압은 최소한 트랜스 전압보다 높아야 한다는 점을 주지하기 바란다. 트랜스 전압이 12 볼트 이상인 경우 비슷한 전구를 두 개 직렬로 연결하면 출력이 소트 되어 전구가 소손 되는 것을 막을 수 있다.
만일 노트북 컴퓨터 또는 비디오 배터리 팩의 용량이 저하된 것 같으면 보통 충전을 한 후에 자동차용 21 와트(사이드 램프)로 방전을 시켜라. 전화기 배터리라면 6 와트짜리 후미 등으로 방전을 시킨다. 전구의 밝기가 조금 낮아지면 즉시 방전을 멈춘다. 적당한 방전율은 충전 전류의 10배 정도 이다. 이런 충, 방전을 7~8회 반복한다. 충, 방전 도중 배터리가 조금 따뜻해 지면 중단하고 배터리를 식힌다. 대부분의 배터리 팩에는 안전 퓨즈가 달려있다. 충전된 배터리를 쇼트 시킨 경우, 플라스틱 케이스에 들어 있는 퓨즈를 교체하기 위해서 플라스틱 케이스를 깨뜨려야 할 때도 있다.

보통 충전 중인 니켈-카드뮴 배터리의 단자 전압은 1.45 볼트를 살짝 넘는다. 충전 후 약 30분이 지나면 그 전압은 1.38 볼트 부근까지 떨어진다. 사용하지 않고 방치할 경우 약 1주일 후에는 1.30 볼트까지 떨어진다. 셀의 전압이 1.15 볼트까지 떨어지면 완전 방전 된 것 이다. 배터리 내부의 각 셀의 상태를 확인할 때 이 전압 값을 활용하라. 충전이 막 완료된 다섯 개짜리 셀은 약 6.9 볼트 정도 된다. 만일 그 전압이 5.5 볼트라면 그 중 한 셀이 죽은 것이다. 죽은 셀을 충전하여 다시 되 살리기는 거의 불가능 하다. 배터리 팩에서 죽은 셀 한 개가 있으면 무용지물이다. 죽은 셀을 교체한다면 다른 셀이 죽을 때 까지도 그 새로 갈아 넣은 셀은 멀쩡할 것이다.

만일 새로운 니켈-카드뮴 배터리가 필요하다면, 기존 공급자 보다 좋은 조건의 거래를 위해서 제 3의 공급자를 물색하라. 가장 보편적인 배터리 팩은 1.8Ah 용량의 R 사이즈 팩이다. 배터리 팩을 새로 장만할 때는 같은 전압 및 전류 용량의 것으로 가격이 현저히 낮은 것이 있는지 확인해라. 만일 팩의 모양이 다르면 새 배터리를 꺼내어 원 팩에 넣어서 사용하라. 배터리 단자에 스폿 용접된 단자 스트립에 납땜을 하면 된다. 절대로 셀의 몸체에 직접 납땜을 시도하지 말라. 인두를 셀에 대면 과열로 셀이 망가진다.

만일 당신의 노트북 PC의 작동 시간이 당신이 원하는 것 보다 짧을 때는 같은 전압으로 용량이 더 큰 것으로 교체하라. 원 배터리와 같은 단자를 입수하여 케이블의 적당한 곳에 연결하고 커넥터 플러그를 쌍둥이 단자에 연결하여 케이블을 추가된 배터리에 연결한다. 절대로 극성이 틀리지 않도록 배터리를 노트북 PC에 연결하기 전에 재 확인한다. 외부에 장착한 니켈카드뮴 배터리는 내부 배터리 또는 교류 전기로 작동한 것과 같이 정상적으로 컴퓨터를 작동 시킬 것이다. 노트북의 이동성에 악간의 흠이 갔지만 배터리 작동 시간은 훨씬 늘어났을 것이다.

만일 당신이 전기 납땜을 할 수 있다면 여분의 배터리 장치를 만들 충분한 능력이 된다. 납땜에 대해 알지 못하면 당신의 노트북 PC에 별 도움이 되지 못하니 누군가 잘 아는 사람에게 의뢰하는 것이 좋다.

이메일 질문에 대한 추가적인 노트


메모리 효과와 계층화
소위 말하는 니켈-카드뮴 배터리의 “메모리 효과”라 하는 것은 “Whiskering” 현상과 조금 다른 것으로 다른 해법이 필요한 것이다. 앞서 내가 말한 바와 같이 니켈-카드뮴 배터리 내에 있는 전해액은 젤리와 녹말 죽의 중간 정도의 형태 정도로 존재한다는 것을 기억할 것이다. 다른 말로 하자면 전해액은 그리 이동이 심하지 않다는 말이다. 니켈-카드뮴 배터리의 사용에 따른 계층화의 결과로 좀더 활성화된 전해액은 양극 가까이에 있고 비 활성화된 전해액은 음극 가까이에 있게 된다는 것이다. 이러한 현상은 우리가 원하는 것과는 정반대의 현상이다.

이러한 현상은 니켈-철 전지가 사용된 이래로 널리 알려져 왔다. 니켈-철 전지에는 흐름이 좋은 정도의 산화칼륨 전해액이 있다. 내가 RAF에 있던 40년 넘은 옛날의 희미한 기억으로, 배터리 충전 실에서 근무하는 사람들로부터 듣기로는 완전 충전이 잘되지 않는 “게으른” 배터리를 처리하기 위해서는 배터리를 심하게 흔들어 전해액을 잘 섞이게 하고 급속 충전과 급속 방전을 되풀이한다고 했다.

니켈-카드뮴 배터리는 바로 니켈-철 전지의 계승자로서 니켈-철 전지가 겪은 많은 실패를 겪었다. 니켈-카드뮴 배터리의 제일 큰 장점은 밀봉할 수 잇다는 것이다. 그 이유는 충전 전류가 그리 크지 않으면 충전 중에 발생한 가스가 결합하여 물이 되기 때문이다. 니켈-카드뮴 배터리는 밀봉 되었기 때문에 물리적으로 전해액을 휘저을 방법이 없다. 단지 할 수 있는 방법은 대 전류, 가능하면 맥류를 이용하여, 충전과 방전을 반복하는 것이다. 그러나 배터리가 조금 따뜻해 지는 기색이 발견되면 즉시 중단하여야 한다.

이 대답이 제기된 “메모리 효과”에 대한 의문이 다소 해소되기를 바란다.

니켈-메탈할라이드 전지는 다르게 취급되어야 한다. 이 전지는 방전이 되지 않은 상태에서 반복적인 충전을 싫어한다. 정상적인 방전을 하지 않고 충전을 반복하면 용량이 저하된다. 니켈-메탈할라이드 전지를 절대 단락 시키지 말 것.

Whisker 현상(Whiskering)
음극에서 발생하여 절연재를 뚫고 양극까지 성장하는 Whisker는 셀이 받아 들일 수 있는 전하 양을 제한하게 된다. 일부분 만 충전 되었을 때 짧은 순간에 매우 큰 전류를 흘리면 음극과 양극에 걸쳐있던 Whisker가 없어진다. Whisker가 발생한 셀은 다음에 기술하는 충전 시험을 절대 통과하지 못한다. Whisker를 제거하는 한 방법으로 2000uF 정도의 캐패시터를 전지 전압의 3배 정도의 전압으로 충전을 하여 Whisker가 발생한 전지에 잠시 연결한 후에 전지를 정상 충전하여 Whisker가 제거 되었는지를 시험한다. 만일 충분하지 못하면 충전 후 반복 실시한다. 이 과정은 완전 방전된 전지에는 적용할 수 없다. 이 방법은 Whisker로 인하여 용량의 일부가 저하된 전지에만 적용할 수 있다.

연속 충전
닉켈카드늄 과 닉켈할라이드 셀은 급속 충,방전을 할 수 있는 이점이 있다. 그들은 저속 방전에는 약하다. 닉켈-카드늄 셀은 거의 연속적으로 서서히 충전을 하여도 가스를 발생하지 않는 점으로 인해 인기를 얻게 되었다. 충전은 보통 용량의 1.4배로 충전을 하는데 1Ah의 셀의 경우 보통 충전은 100mA의 전류로 14시간 충전하는 것이나 100mA로 20시간 또는 그 이상 충전을 하여도 셀에 이상이 발생하지는 않는다.

AAA 전지
AAA 전지는 여러 용량이 있다. 보통 AAA 니켈카드뮴 셀은 220mAh 다. 이는 기본적으로 1/10C 율인 22mA로 14시간 충전을 해야 한다는 것을 의미한다. 니켈-카드뮴 셀은 기본적으로 1/10C 율로 연속 충전을 할 수 있다.

급속 충전(완전 방전 후)의 경우 1C 율로 50분을 충전하고 1/10C 율로 5시간을 충전한다. 급속 충전만으로 니켈-카드뮴 배터리를 완전 충전한다는 것은 불가능하다. 2/3 용량까지를 급속 충전을 하고 나머지 1/3은 1/10C로 충전을 하는 것이 제일 좋다.

디지털 멀티미터로 니켈-카드뮴 배터리를 측정하기
현대식 디지털 멀티메타로 니켈-카드뮴 배터리를 측정할 때 주의할 점은 메타에 표시된 직류 전압 값은 정확한 충전 상태를 표시하지 않는다는 점이다. 항상 메타 리드에 병렬 저항을 연결하여 배터리에 부하가 걸린 상태에서 전압을 측정하여야 한다. 플래시의 전구 또는 자동차 전구가 이 용도에 적당하다. 1C 율로 한 시간 방전된 후에 완전 충전된 셀이라면 최소 1.3볼트가 10초 이상 지속되어야 한다.

전해액의 손실
물의 손실로 인하여 많은 니켈-카드뮴 셀의 용량이 저하된다. 이는 니켈-카드뮴 셀이 뜨거워 져서 발생한 증기가 안전밸브를 통해 새 나가거나 셀을 너무 급속히 충전 시키므로 서 발생한 가스가 빠져 나가기 때문이다.

전해액의 손실은 의심이 가는 셀의 무게를 재서 동일한 제조사의 같은 용량의 정상적인 셀과 비교하여 가늠할 수 있다. AA 셀의 경우 들어있는 물의 양은 전체 무게의 약 1/5이 된다. 어떤 셀이 정상 셀의 80%까지 밖에 나가지 않으면 아마도 물의 대부분이 손실된 것이다.

염분의 흔적
오래된 니켈-카드뮴 전지의 경우 종종 배기구(보통 양극 단자 부근)에 흰색 흔적이 있다. 이 흔적은 탄산인의 결정이다. 이 원인은 대부분 과열이나 과대한 충전 전류로 발생한 가스를 방출하기 위하여 안전밸브가 열렸던 것을 의미한다. 그 이후 밸브가 완전히 닫기지 않아 적은 양의 수산화인이 흘러나왔고 그 수산화인은 공기중의 탄산가스와 결합하여 재빨리 탄산인이 된 것이다. 젖은 걸레로 닦아서 탄산인을 제거한 뒤에 셀을 말린다. 사용하기 전에 전해액이 얼마나 손실된 지를 알기 위해 그 셀의 무게를 측정할 필요가 있다.

좋은 니켈카드뮴 메이커
Uniross 와 Yuasa 회사의 니켈-카드뮴(니켈-메탈할라이드도 동일) 셀이 일반적으로 매우 좋다는 것을 알게 되었다. 다른 일부 메이커는 좋지 않다. 제조사의 품질은 디지털 멀티미터(병렬 저항 없이)에 나타난 전압으로 가늠할 수 있다. 금방 충전을 완료한 셀의 경우 유아사의 셀은 때때로 1.44V까지 나타내고 유니로스의 셀은 보통 1.42V 정도 된다. 다른 메이커의 경우 1.4V에 도달하려고 안간힘을 쓴다.

당신이 가진 니켈-카드뮴 전지의 품질을 시험하는 법
최신의 디지털 멀티미터는 니켈-카드뮴 전지의 건강 상태를 측정하는 데는 매우 적합하지 않다. 디지털 멀티 미터로 셀의 전압을 측정하는 가장 좋은 방법은 측정하는 동안 충분한 전류를 흘리는 것이다. 이 방법은 2.5V용 플래시의 전구를 양극과 음극의 사이에 미터 리드와 같이 연결하는 것이다.

만일 당신이 그 플래시 전구의 저항을 알고 있다면 미터 측정 시 흐르는 전류 값을 계산할 수 있다. 다시 플래시 전구를 연결하지 않고 전압을 측정하면 보다 높은 전압이 측정된다. 이 자료로 조금의 계산을 하면 이 셀이 좋은 것인지 알 수가 있는 것이다. 한 예를 보여 주겠다.

전구를 연결하여 측정한 전압이 1.27V 이고 전구 없이 측정한 전압이 1.31V 라면, 전구의 저항은 8.3옴(2.5V / 0.3A) 이다. 결과로 153mA가 흐를 때 전압이 1.27V가 되었다. 전구의 유무에 따라 전압의 차이는 0.04V 이다. 이 자료로 셀 내부의 저항이 0.26옴(0.04/0.153=0.25)으로 계산이 나왔다. 셀의 내부 저항이 크면 클수록 나쁜 셀이다. 저항이 낮을수록 좋은 셀이다.

같은 방법으로 모든 셀의 내부 저항을 측정한다면 이 자료가 각 셀의 용량을 의미한다는 것을 알게 될 것이다. 저항이 높으면 저 용량을 의미한다. 또한 니켈카드뮴 전지는 당신의 사용 방법에 따라 용량이 변할 수 있다는 것을 기억할 것이다. 만 충전된 셀을 0.1C (C/10)전류로 방전하면 10시간 동안 지속할 수 있다. 0.2C (C/5)로 방전하면 4시간 10분 정도 지속이 가능하고 1C 라면 33분 밖에 지속할 수 없다.

4개의 셀로 구성된 1Ah의 배터리 팩이 있다고 하자. 셀 내부 저항이 0.25옴 이라고 가정할 때 전체 팩의 저항은 1옴이 된다. 배터리 팩의 정격 전압은 5V이다. 그 팩을 0.1C로 방전하면 부하 저항은 50옴이 되고 1옴의 내부 저항은 부하 저항의 2%에 해당한다.0.2C로 방전을 하면, 내부 저항 1옴은 부하 저항 25옴의 4%에 해당되고 1C로 방전하면, 부하저항 5옴은 내부 저항1옴은 20%에 해당한다. 쉽게 말하면 부하 저항과 내부 저항의 관계는 여러 부하 조건에 따른 용량의 손실 비율이라고 말 할 수 있다. 이 곡선은 배터리 메이커의 웹사이트에서 구할 수 있다.

이제 당신은 셀의 내부 저항을 시험하는 방법을 배웠다. 배터리 팩을 시험할 때 전류를 흘려야 하는 이유도 배웠다. 또한 배터리의 내부 저항이 바로 용량의 저하에 관련이 있다는 것도 이해하였을 것이다.


아래에 충, 방전에 따른 배터리 셀의 변화를 나타낸 곡선을 보인다.



댓글 5개:

  1. 정확하고 상세한 자료 감사드립니다

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  2. 자료 감사합니다.
    제가 이해하고 있는 부분이 정확한지 한번 더 확인 하고 싶어서 글을 올립니다.
    Ni-Cd Battery의 충전 방식에서, 매우 적은 1/40C 또는 1/100C로 연속충전( 365일 내내.. 수명이 다 할 때까지 )을 해도 괜찮은 건 가요?

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    1. 1/10 * C 정도의 전류로 연속 충전에 견딘다는 내용이 본문에 있습니다.
      충전 완료 후의 충전 전류는 물은 전기분해 하나 분해된 수소와 산소는 즉시 재결합하여 물이 되므로 별 문제가 없습니다.

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  3. 글잘 보았습니다 저에게는 약간 어려운 내용들이 있네요 ....
    선생님 혹시 면도기나 이발기 같은 도구에 일반 어뎁터 가 아닌 충전기회로ic 로 만들면 충전 완료 led 등에 완충 표시 등이 나오게 할수 잇는 모듈 충전기 가 가능 한가요 ? 2차 전지에 바로 연결 하는게 아니라 기구 내 다른 회로가 있던데 문제가 없는가요 ?

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    1. 충전 전용 IC를 이용하면 됩니다. 아래의 링크로 관련 IC의 Datasheet를 찾아 보세요.
      http://search.datasheetcatalog.net/key/NI-CD
      기구 내 다른 회로 이야기는 구체적이지 않아 이해가 되지않습니다.

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