배터리 응용

서문 Ⅰ
역자서문 Ⅲ

제 1 장 산업용 비수계배터리 1
1.1 소개 1
1.2. 1차 리튬 배터리 1
1.2.1. 리튬/이산화황(Li/SO2) 배터리 2
1.2.1.1. 셀 구조 및 성능 3
1.2.2. 리튬/염화티오닐(Li/SOCl2) 배터리 6
1.2.2.1. 셀 구조 및 성능 7
1.2.3. 리튬/이산화망간(Li/MnO2) 배터리 12
1.2.3.1. 셀 구조 및 성능 13
1.2.4. 리튬/일불소화탄소(carbon monofluoride) 배터리 16
1.2.4.1. 재료, 전극반응, 셀 형태 및 성능 17
1.2.5. 1차 리튬배터리의 기본 파라메터 19
1.3. 재충전 배터리 19
1.3.1. 리튬-이온 배터리 19
1.3.1.1. 음극(negative electrode) - 탄소 20
1.3.1.2. 양극(positive electrode) 23
1.3.1.3. 액체전해질 25
1.3.1.4. 액체전해질 셀의 구조 및 성능 26
1.3.1.5. 고분자전해질 Li이온 배터리 33
1.3.1.6. 응용 예 34
1.3.2. 리튬전극 배터리 36
1.3.2.1. 리튬/황 배터리 36
1.3.2.2. 리튬-금속-고분자(lithium-metal-polymer, 이하 LMP) 배터리 36
1.3.2.3. Li합금(Li?Al)/철황화물(FeSx) 배터리 42
1.3.3. 나트륨 전극 배터리 46
1.3.3.1. 나트륨/황 배터리 47
1.3.3.2. 나트륨/니켈염화물 (Zebra) 배터리 51
1.3.4. 비수계 2차 배터리의 기본 파라메터 54
참고문헌 56

제 2 장 산업용 수계배터리 59
2.1. 소개 59
2.2. 납 배터리 59
2.2.1. 전극 60
2.2.2. 그리드(grid) 61
2.2.3. 극판 설계 62
2.2.4. 전해질과 분리막 63
2.2.5. 충방전 반응 64
2.2.6. 설계 특징과 응용 분야 67
2.2.7. 방전특성, Peukert 방정식 및 자기방전 71
2.2.8. 충전방법 73
2.3. 니켈(Ni)/카드뮴(Cd) 배터리 74
2.3.1. 소개 74
2.3.2. 니켈/카드뮴 배터리의 종류 75
2.3.3. 충방전 반응 78
2.3.4. 방전특성, 메모리효과 및 자기방전 80
2.3.5. 충전법 83
2.3.6. 충방전수명 84
2.3.7. 응용분야 86
2.4. 니켈(Ni)/금속수소화물(MH) 배터리 86
2.4.1. 재료 및 전극 반응 86
2.4.2. 셀 구조 및 성능 90
2.4.3. 니켈/금속수소화물 배터리의 충전 94
2.4.4. 충방전수명 및 배터리수명(cycle and battery life) 98
2.4.5. 응용분야 98
2.5. 니켈(Ni)/수소(H2) 배터리 100
2.6. 니켈(Ni)/철(Fe) 배터리 104
2.7. 니켈(Ni)/아연(Zn) 배터리 107
2.8. 아연(Zn)/공기(O2) 배터리 111
2.9. 은(Ag)/아연(Zn) 배터리 115
2.10. 아연(Zn)/브롬(Br2) 배터리 117
2.11. 바나듐 레덕스-흐름 배터리 120
2.12. 알칼리 1차 배터리 123
2.12.1. 전극 재료 및 처리 124
2.12.2. 셀 구조 125
2.12.3. 셀 성능 및 응용분야 126
2.13. 수계 2차 배터리의 기본 파라메터 128
참고문헌 130

제 3 장 전기화학적 및 비전기화학적
기법에 의한 배터리 특성 평가 133
3.1 소개 133
3.2. 배터리 재료의 종류 134
3.2.1. 전극 재료 134
3.2.1.1. 일반적인 특징 134
3.2.1.2. 음극 137
3.2.1.3. 양극 재료 139
3.2.2. 전해질 시스템 141
3.2.2.1. 수용액(aqueous solution) 141
3.2.2.2. 비수용액(nonaqueous solution) 141
3.2.2.3. 고체전해질 시스템 142
3.2.3. 지지 요소 142
3.2.3.1. 집전체 142
3.2.3.2. 분리판과 분리막 143
3.3. 배터리 특성 평가의 단계와 수준 144
3.3.1. 소개 144
3.3.2. 셀 전체의 비파괴 연구 144
3.3.3. 셀 천체의 사후 분석 145
3.3.4. 반쪽 셀(half cell) 시험 146
3.3.5. 용액 연구 146
3.3.6. 전극 연구 - 총량 분석 및 표면 분석 147
3.4. 배터리 특성을 평가할 수 있는 방법 요약 148
3.4.1. 비활성환경 상자 이용 148
3.4.2. 총량분석방법(bulk analytical tool) 149
3.4.2.1. 질량분석법의 원리 149
3.4.2.2. M?ssbauer 분광측정법(spectroscopy) 150
3.4.2.3. 핵자기공명 151
3.4.2.4. 적외선(IR), 자외선/가시광선(UV-Vis), 라만(Raman) 153
3.4.2.5. 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma, 이하 ICP) 156
3.4.2.6. 회절기법(X-선 및 중성자회절법) 157
3.4.2.7. X선 기법 : EXAFS와 XANES 158
3.4.3. 현미경측정법(microscopy) 159
3.4.3.1. 전자현미경 측정법 및 관련 기술 159
3.4.3.2. 원자간력(原子間力) 현미경 측정법 162
3.4.4. 가스흡착공정(gas adsorption process)에 의한 표면적 분석 164
3.4.5. 열해석 165
3.4.5.1. DTA, DSC, TGA 165
3.4.5.2. 가속률열량측정법 166
3.4.6. 표면분석 167
3.4.6.1. 개론 167
3.4.6.2. FTIR 및 Raman 분광법 168
3.4.6.3. XPS와 AES 171
3.4.7. 전기화학적 방법 173
3.4.7.1. 소개 173
3.4.7.2. 미세 전기분석법 175
3.4.8. 기타 방법들 179
3.4.9. 현장 측정 181
3.5. 전해액 및 고체전해질의 대표적 연구 186
3.5.1. 용매(solvent) 파라메터와 용액 전도도 평가 186
3.5.2. 전해액의 전기화학적 창(전기 범위) 188
3.5.3. 열적 연구 191
3.6. 전극 및 전극재료의 대표적 연구 193
3.6.1. 재료 연구 개요 193
3.6.2. 배터리전극의 전기화학적 특성 평가 194
3.6.2.1. 금속전극 194
3.6.2.2. 흐름 배터리(예를 들면 공기 배터리)와 액체캐소드 배터리의 전극 195
3.6.2.3. 복합재료 전극 196
3.6.3. 배터리 전극의 표면 특성 평가 203
3.7. 복잡한 배터리의 측정 205
3.7.1. 소개 - 일반적인 면 205
3.7.2. 상용 및 시제품 배터리의 표준 전기화학적 성능 시험 예 [1-4] 206
3.7.3. 시제품 배터리의 측정, 임피던스 측정 및 고장매커니즘 연구 208
3.7.4. 안전성 및 관련 시험 210
3.8. 이론적 배터리 특성 평가 211
3.9. 결론 212
감사의 말 212
참고문헌 213

제 4 장 구동용 배터리 ? EV 및 HEV 221
4.1. 소개 221
4.2. 다양한 종류의 전기차량 222
4.2.1. 전기차량 222
4.2.2. 하이브리드 전기차량(HEV) 227
4.2.2.1. 마이크로 하이브리드자동차,“정지 및 시동” 229
4.2.2.2. 소프트 하이브리드 자동차,“정지 및 주행” 230
4.2.2.3. 중간 하이브리드 자동차 231
4.2.2.4. 완전 하이브리드 자동차 또는“동력보조” 231
4.2.2.5. 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV) 232
4.2.2.6. 연료전지 하이브리드 자동차 233
4.2.2.7. 대형 하이브리드 차량 : 통근버스, 경트럭 및 시내전철 233
4.3. 구동용 배터리 기술 234
4.3.1. 납 배터리 234
4.3.1.1. 마이크로 하이브리드 자동차용 납 배터리 238
4.3.2. 니켈카드뮴 배터리 242
4.3.2.1. EV용 니켈카드뮴 배터리 242
4.3.3. 니켈금속수소화물(NiMH) 배터리 248
4.3.3.1. EV용 NiMH 배터리 250
4.3.3.2. HEV용 NiMH 배터리 253
4.3.4. 리튬이온 배터리 264
4.3.4.1. 리튬이온 배터리 기술 268
4.3.4.2. EV용 리튬이온 배터리 269
4.3.4.3. HEV용 리튬이온 배터리 278
4.3.5. 리튬폴리머 배터리 286
4.3.5.1. 배터리의 화학반응과 기술 286
4.3.5.2. 차량 탑재 287
4.3.6. 나트륨염화니켈 배터리 289
4.3.6.1. 배터리의 화학반응 및 기술 289
4.3.6.2. 제품 성능 시험 291
4.3.6.3. 탑재 시험 292
4.4. 결론 293
감사의 말 293
참고문헌 294

제 5 장 우주 응용 분야 Ⅰ
- 인공위성, 발사대, 항공기 297
5.1. 소개 297
5.2. 인공위성 배터리 297
5.2.1. 인공위성 요구조건 298
5.2.1.1. GEO 위성 298
5.2.1.2. LEO 위성 301
5.2.1.3. MEO 및 HEO 인공위성 303
5.2.2. 인공위성 배터리 기술 305
5.2.2.1. NiCd 배터리 305
5.2.2.2. NiH2 배터리 313
5.2.2.3. Li이온 배터리 324
5.3. 발사대용 배터리 337
5.3.1. 재충전 배터리 337
5.3.2. 1차 배터리 340
5.3.2.1. 은-아연 배터리 340
5.3.2.2. 리튬 배터리 341
5.3.3. 열 배터리 342
5.4. 항공기용 배터리 343
5.4.1. 항공기 탑재 배터리 343
5.4.2. 항공기용 주 배터리의 역할 343
5.4.3. 항공기 환경의 정의 344
5.4.4. 현재 기술 346
5.4.5. 미래 전망 353
약자 354
참고문헌 355

제 6 장 우주 응용 분야 Ⅱ
- 행성탐사업무(궤도우주선, 착륙선,
로봇탐사차량, 탐사선) 357
6.1. 소개 357
6.2. 우주용 배터리의 일반적인 특징 358
6.3. 행성 및 우주 탐사 임무 359
6.3.1. 로봇 우주 탐사 361
6.3.1.1. 궤도선 362
6.3.1.2. 행성 근접비행 및 샘플채취 귀환 임무 363
6.3.1.3. 착륙 임무 - 착륙선 364
6.3.1.4. 착륙임무 - 로봇탐사차량 364
6.3.1.5. 착륙 임무 - 탐사선 366
6.3.1.6. 충돌체 및 관통체 367
6.3.1.7. 기타 과학 임무 367
6.3.2. 유인 탐사 임무 368
6.3.2.1. 우주왕복선 369
6.3.2.2. 유인탐사선 369
6.3.2.3. 행성 이륙 단계 및 하강 단계 모듈 369
6.3.2.4. 월면(月面) 활동 370
6.3.2.5. NASA의 미래 표면탐사 임무 370
6.4. 과거 및 현재 행성 임무 371
6.4.1. 달 임무(아폴로) 371
6.4.2. 화성 및 그밖의 행성 탐사 임무 372
6.4.3. 기타 임무 388
6.5. 미래 화성탐사 임무 391
6.6. 우주용 배터리 기술 392
6.6.1. 1차 배터리 394
6.6.1.1. 은-아연 배터리 394
6.6.1.2. 리튬-황 배터리 395
6.6.1.3. 리튬-염화티오닐 배터리 396
6.6.1.4. 리튬-일불소화탄소 배터리 396
6.6.1.5. 1차 배터리의 비교 평가 398
6.6.2. 열 배터리 398
6.6.3. 충전 배터리 400
6.6.3.1. 은-아연 배터리 400
6.6.3.2. 니켈-카드뮴 배터리 402
6.6.3.3. 니켈-수소 배터리 403
6.6.3.4. 니켈-금속수소화물 배터리 409
6.6.3.5. 리튬-이온 배터리 410
6.7. 우주용 Li이온 배터리의 고유 특성 417
6.7.1. Li이온 배터리의 저온 성능 417
6.7.2. 방사능 허용치 419
6.7.3. 겉보기 수명 421
6.8. 리튬 배터리 ? 최신 기술 422
6.9. 재충전배터리에 대한 결론 424
감사의 말 425
참고문헌 426

제 7 장 정지용 응용 분야 Ⅰ
- 통신 및 UPS용 납 배터리 431
7.1. 소개 431
7.2. 납 배터리 기술 432
7.3. 대용량 배터리 438
7.4. 출력 성능의 개선 446
7.5. VRLA 기술의 특징 454
7.6. 겔 배터리 468
7.7. AGM 배터리 474
7.8. 미래 전망 479
7.9. 결론 489
참고문헌 490

제 8 장 정지용 응용 분야 Ⅱ
- 부하평준화 495
8.1. 정지용 분야에서 배터리의 중요성 495
8.1.1. 전력시스템 495
8.1.2. 부하곡선과 발전설비의 위치 496
8.1.3. 부하평준화(load leveling) 497
8.1.4. 부하주파수 제어 497
8.1.5. 기타 응용분야 498
8.1.6. 현재 상태 499
8.1.7. 장래 전망 499
8.2. 나트륨-황 배터리 시스템 500
8.2.1. 배터리의 화학반응 및 구성요소 500
8.2.2. 실제 시스템 502
8.2.3. 투자비 508
8.3. 바나듐 레덕스 흐름 배터리 시스템 508
8.3.1. 배터리 화학반응 및 구성 요소 508
8.3.2. 실제 시스템 509
8.4. 그밖의 2차 배터리 시스템 514
8.4.1. 납 배터리 시스템 514
8.4.2. 니켈-금속수소화물 배터리 시스템 516
8.4.3. 리튬이온 배터리 시스템 517
8.5. 그밖의 전기에너지 저장시스템 519
8.5.1. 양수발전시스템 519
8.5.2. 압축공기 에너지저장시스템 519
8.5.3. 초전도 자기에너지 저장시스템 522
8.5.4. 전기이중층 커패시터 524
8.5.5. 플라이휠 에너지저장 시스템 525
8.6. 비교 526
8.6.1. 현존 시스템 526
8.6.2. 수명 및 투자비 528
8.6.3. 출력전력 및 에너지저장밀도 530
8.6.4. 충방전효율 533
감사의 말 535
참고문헌 536

제 9 장 정지용 응용 분야 Ⅲ
- 태양 및 풍력 에너지 저장용 납 배터리 539
9.1. 소개 539
9.2. 태양 및 풍력 시스템용 에너지 저장 장치 540
9.3. 개방형 납 배터리 544
9.4. 대형 배터리 546
9.5. VRLA 배터리를 이용한 소형 시스템 554
9.6. 겔형 배터리를 이용한 대형 시스템 567
9.7. 장래 기술 개발 581
9.8. 결론 587
참고문헌 588

제 10 장 정지용 응용 분야 Ⅳ
- 니켈-카드뮴 배터리의 역할 591
10.1. 소개 591
10.2. 역사 592
10.3. 화학반응 592
10.3.1. 메모리 효과 593
10.4. 니켈카드뮴 배터리의 구조적인 특징 594
10.4.1. 극판 기술 594
10.4.2. 활성물질 595
10.4.3. 분리판 596
10.4.4. 전해질 596
10.4.5. 구입가능한 제품 597
10.5. 전기적 및 기계적 특징 597
10.5.1. 고온 및 저온 성능 598
10.5.2. 고온에서의 수명 598
10.5.3. 충방전 특성 599
10.5.4. 충전 특성 600
10.6. 비용 및 신뢰성 검토 600
10.7. 에너지저장용 대형 배터리 602
10.7.1. 소개 602
10.7.2. BESS의 정의 603
10.7.3. BESS 설계 604
10.7.3.1. 배터리 604
10.7.3.2. 전기시스템 605
10.7.4. 가동 결과 606
10.7.5. 수상 경력 606
10.7.6. 최종 검토 607
10.8. 통신용 소형 배터리 607
10.9. 수명과 신뢰성 ? 오래된 배터리의 경우 609
10.10. 니켈-카드뮴 배터리의 응용분야 요약 610
참고문헌 616

제 11 장 기타 응용 분야 Ⅰ
- 측정기, 전동공구, 경고/보안 및 의료장비 등 617
11.1. 전원 617
11.1.1. 여러 가지 전기화학시스템 617
11.1.2. 올바른 전원을 선택하는 방법 621
11.2. 계측 시스템 623
11.2.1. 열측정기와 열비용분담기 624
11.2.2. 전력계 625
11.2.3. 가스계기 626
11.2.4. 수량계 627
11.2.5. RF 송신을 이용한 자료이력기록기 628
11.2.6. GSM 또는 GPRS 전송을 이용한 자료이력기록기 629
11.2.7. 원격검침기 630
11.2.8. 기타 631
11.3. 원격 이동 모니터링 632
11.3.1. ID 태그 633
11.3.2. 휴대용 바코드리더 635
11.3.3. GPS 635
11.3.4. GSM 모듈 637
11.4. 자동 보조시스템 637
11.4.1. SARSAT/COSPAS 비콘 638
11.4.2. 안전등 640
11.5. 경고 및 보안 시스템 641
11.5.1. 비상조명장치 (emergency light unit, ELU) 641
11.5.2. 무선경보센서 643
11.5.3. 무선경보 중앙장치(wireless alarm central units) 643
11.5.4. 경보기 644
11.5.5. 지그비(ZigBee) 645
11.5.6. 접근통제시스템(access control system) 646
11.5.7. 원격제어 시스템 647
11.5.8. 텔레매틱 시스템 647
11.5.9. 전력선 감시 648
11.5.10. 파이프라인 검사 게이지(PIG) 648
11.6. 메모리 백업 ? 실시간 시계 649
11.7. 전문가용 무선공구 651
11.7.1. 드릴 652
11.7.2. 드릴과 드라이버-렌치 652
11.7.3. 드라이버 653
11.7.4. 연삭기(grinder)와 사포연마기(sander) 653
11.7.5. 평삭기(planer) 654
11.7.6. 톱(둥근톱, 실톱, 휴대용 전기실톱, 다이아몬드톱 등) 654
11.7.7. 미니 공구 654
11.7.8. 관개시스템 655
11.7.9. 울타리정지기, 전동사슬톱, 진정(剪定)가위 655
11.8. 전문가용 제품 656
11.8.1. 휴대용 단말기 656
11.8.2. 전문가용 A/V 장비 657
11.9. 휴대용 의료장비 658
11.9.1. 휴대용 제세동기 658
11.9.2. 심장 내부 펌프시스템 660
11.9.3. 심실 보조펌프 시스템 661
11.9.4. 휴대가능한 의료용 비상 액체 온난기 661
11.9.5. 전기 인공호흡기 662
11.9.6. 특수 의료기구 663
11.10. 결론 664
감사의 말 664

제 12 장 기타 응용 분야 Ⅱ
- 추적시스템, 요금징수, 석유시추,
자동차액세서리,해양분야 665
12.1. 소개 665
12.2. 타이어압력 감시시스템(TPMS) 665
12.2.1. 직접형, 간접형 및 무배터리형 TPMS 666
12.2.2. 전력소비량 667
12.2.3. TPMS의 전원 667
12.3. 전자요금징수 669
12.3.1. 요금징수시스템 669
12.3.2. 전원 670
12.4. 자동충돌알림(ACN) 시스템 670
12.4.1. 전기적 사양과 전원 671
12.5. 추적시스템 672
12.5.1. 추적방법 673
12.5.1.1. RFID 673
12.5.1.2. GPS 674
12.5.2. GPS 송신 675
12.5.3. 전원 677
12.5.4. 이용가능한 배터리의 장점과 단점 679
12.6. 석유시추 681
12.6.1. 응용분야 681
12.6.2. 전력요구조건 683
12.6.3. 배터리 선택 기준 685
12.6.4. 배터리 화학반응 686
12.6.5. 미래 발전 방향 689
12.7. 해양 분야 690
12.7.1. 응용분야 690
12.7.2. 전력요구조건 691
12.7.3. 배터리 선택 기준 692
참고문헌 696

제 13 장 배터리의 관리 및 수명 예측 697
13.1. 정의 697
13.1.1. 배터리 관리 697
13.1.2. 배터리 수명 예측 698
13.2. 모니터링과 측정 701
13.2.1. 셀 감시 702
13.2.2. 셀 측정 704
13.2.3. 배터리 감시 705
13.2.4. 배터리 측정 706
13.3. 배터리 관리 기능 706
13.3.1. 충전 관리 708
13.3.1.1. 온도에 따른 충전 관리 709
13.3.1.2. 전압에 따른 충전 관리 710
13.3.1.3. 다른 방법을 이용한 충전 관리 711
13.3.2. 방전관리 713
13.3.2.1. 전압에 의한 방전 관리 714
13.3.2.2. 온도와 전류에 따른 방전 관리 715
13.3.2.3. 충전상태에 의한 방전 관리 718
13.3.3. 안전관리 720
13.3.4.“스마트배터리시스템”- 배터리 관리의 예 721
13.4. 수명예측 723
13.4.1. 성능예측 : 개발 1단계 726
13.4.2. 실험실 평가에 의한 수명 예측 : 개발 2단계 730
13.4.3. 실제 사용 시의 수명 예측 : 개발 3단계 734
13.4.4. 미래 방향 738
참고문헌 740

제 14 장 배터리 수거 및 재활용 743
14.1. 소개 743
14.2. 재활용 기술에 대한 생태효율 연구 744
14.3. OECD 회원국들 사이의 배터리 이동 748
14.4. 배터리 수거 기구 751
14.4.1. 유럽의 특별한 상황 751
14.4.2. 수거 기구의 재원 마련 753
14.4.3. 금속의 가격변동 영향을 줄이기 위한 순환경로 개념 755
14.5. 배터리제작사의 특별한 예 : Saft사 756
14.6. 재활용률 : 이것이 의미하는 바는 무엇인가? 758
14.7. 배터리 재활용 : 현존하는 기술 761
14.7.1. 분리수거되지 않은 배터리의 재활용 763
14.7.2. 수은이 함유된 1차 배터리의 재활용 765
14.7.3. 아연-탄소 및 알칼리-망간 1차 배터리의 재활용 767
14.7.4. 리튬 1차 배터리의 재활용 771
14.7.5. 납 배터리의 재활용 773
14.7.6. NiCd 배터리의 재활용 776
14.7.7. NiMH 배터리의 재활용 781
14.7.8. Li이온 및 Li폴리머 배터리의 재활용 784
14.8. 결론 790
참고문헌 791

제 15 장 산업용 배터리의 세계 시장 793
15.1. 범위와 분석을 위한 가정 793
15.1.1. 산업용 배터리의 정의 793
15.1.2. 산업용 배터리 시장의 부문별 정의 794
15.1.3. 분석을 위한 기타 가정 796
15.2. 세계시장 규모 예측에 사용되는 요소 797
15.3. 산업용 에너지저장 시스템 798
15.3.1. 배터리의 종류별 특성 799
15.3.2. 경쟁 상대 - 연료전지 시스템 802
15.3.3. 경쟁상대 ? 새로운 에너지저장 시스템 804
15.4. 산업용 배터리의 종류 805
15.4.1. 수명주기별 종류 806
15.4.2. 기술별 종류 806
15.5. 부문별 시장 807
15.5.1. 계산기용 배터리 807
15.5.2. 통신용 배터리 809
15.5.3. 휴대공구용 배터리 810
15.5.4. 기타 휴대제품용 배터리 811
15.5.5. 의료용 배터리 812
15.5.6. 컴퓨터 메모리용 배터리 813
15.5.7. UPS/정지용 배터리 814
15.5.8. 군사/우주용 배터리 814
15.5.9. 산업용 EV 배터리 817
15.5.10. HEV/EV용 배터리 818
15.5.11. 자동차 SLI용 배터리 819
15.6. 산업용 배터리의 과거 및 미래 시장 요약 820
참고문헌 824

찾아보기 825