리튬의 등장에도 여전히 사랑 받는 니켈 수소 충전지

RC에 많이 쓰이는 충전지 - 니켈 수소와 니켈 카드뮴의 장단점

 충전용 배터리에는 다양한 종류가 있습니다. 소위 2차 전지라 불리는 애들이지요. 양극판, 음극판에 어떤 물질이 도금 되느냐에 따라 이름이 갈라집니다. 

 모바일에서 시작하여 자동차, 비행기 (B787) 까지 사용되는 리튬계열의 배터리가 있는 반면, 전통의 강자 니켈 계열 충전지도 있는데요. 리튬 전지에 비해 가격이 저렴하고, 단 기간에 빠른 방전이 가능하여 여전히 애용 되고 있는 중입니다.

(아래는 리튬 폴리머 배터리입니다)

 

출처 : www.gensaceusa.com

 얼마 전 구입한 중국산 RC에 니켈-카드뮴 및 니켈-수소 전지가 달려 있었는데요. 각각의 배터리의 충전 시간이 얼마 인지 알아 보다가 찾아낸 흥미로운 내용을 몇 가지를 정리해 보았습니다. 

(충전기는 있는데 얼마를 충전 해야 하는지 시간이 안나와 있다는, 충격적인 사실...)

 

 

니켈 카드뮴 

 전통적인 방식의 충전지 입니다. 일본식으로는 니-카드 라 불리기도 했었습니다. 어릴 때 열 몇시간 씩 충전 하느라 충전기가 뜨끈뜨끈 해 졌던 기억이 나네요. 완전 방전을 하지 않고 충전하면 사용 용량이 줄어드는 메모리 이펙트 효과가 쩌는 2차 전지입니다. 

출처 : goinggear.com

 아니다, 니카드를 완전 방전하면 그것도 문제가 된다. 라고 주장하는 글도 있으니 아래 링크도 한번 확인 해 보세요.

 

kleene :: 니켈-카드뮴 배터리(NiCd Battery, 니카드)에 관한 진실 

 

 위의 글의 내용은 이렇습니다. 2차전지는 여러 개의 셀로 구성되어있고, 셀은 시간이 지남에 따라 각각 다른 성능을 갖기 시작한다. 완전 방전은 상태가 가장 안 좋은 셀을 조지(?)기 시작하므로 문제가 된다. 

 모든 셀이 처음에는 같은 전압을 가졌겠지만, 점차 각각 다른 전압을 가지게 된다고 하는데요. 완전 방전시 정상 전압의 셀에서 낮아진 전압의 셀로 ‘충전’이 일어나기 때문 이라고 지적하고 있습니다.

출처 : rightbattery.com

 배터리팩을 자세히 보면 노란 팩 안에 배터리가 여러 개로 묶여 들어가 있음을 알 수 있습니다. 배터리 내부 역시 얇은 팩 여러 개가 묶인 구조를 하지고 있는데요. 이처럼 셀로 구성된 충전지는 완전 방전이 오히려 ‘독’이 될 수 있다는 사실.... 찾아보다 처음 알았습니다.

 

출처 : blog.batteryquality.com

출처 : sell.pakuya.com

 메모리 효과에도 불구하고, 니켈 카드뮴은 저렴하고, 급속 방전이 가능한 장점을 가지고 있습니다. 내부 저항이 적어 다양한 환경에서 안정적인 전압을 내는 편입니다. 일부 중국산 RC에서는 여전히 니카드 배터리가 애용 되고 있지요.

 

출처 : www.weiku.com

 아, 메모리 효과는 간단히 이야기 하면, 전자를 운반하는 수산화 이온이 전자를 운반 하지 못하는 물로 변하는 상태를 말합니다. 니카드 뿐만 아니라 다음에 설명될 다양한 2차 전지에도 ‘조금씩’ 발생하는 보편적인 현상입니다. 단지 운반 물질의 종류가 달라졌을 뿐입니다.

출처 : www.3dnews.ru

 

니켈 수소 

 음극에 카드뮴 대신 수소가 흡수(?)된 합금판이 달린 전지입니다. 

 니카드보다 더 오래 쓰도록 고안된 충전지로 거의 2배의 수명과 2배의 용량을 가지고 있습니다. 니카드에 비해 메모리 효과가 적고, 초기 전압이 끝까지 유지되는 특성을 가져 (니카드는 완충 때부터 완방 때 까지 조금씩 전압이 떨어집니다.) 디지털 디바이스에 많이 사용 되었었습니다. 지금은 리튬 전지가 대세가 되었지만요. 

출처 : the-gadgeteer.com

 하지만 일부 폭발 사례에서 보듯 리튬이란 물질이 대단히 불안정 하기 때문에, 안정성이 필수인 자동차 – 하이브리드를 포함한 전기차 – 에 아직 니켈 수소 전지를 사용하는 경우가 많습니다. 

 

조금 더 심도있는 내용을 보시고 싶으시면 아래 링크를 참고해 주세요.

 

전기자동차용 니켈-금속수소(Ni-MH) 전지기술

 

 위 글의 내용 일부를 발췌하면 이렇습니다. 니카드 보다 최대 2배의 에너지 밀도를 가진다. 때문에 수명이 두 배이다. 메모리 효과가 있으나 비교적 적은 편이다. 카드뮴은 유독한 중금속인 반면, 수소를 사용하므로 비교적 무해하다. 그러나 수소를 전극에 입히는 기술이 꽤나 난이도가 있고, 덕분에 가격이 비싸다.

 

출처 : www.telit.co.rs

 제가 산 중국산 RC의 배터리 용량을 봐도 차이가 확실히 납니다. 노란색의 니카드는 700mAh 인 반면 니켈수소는 2100mAh 입니다. 같은 크기에 딱 세배이지요. 

 그러나 가격은 차량 가격 4만원의 약 35%인 만 오천원에 구매 해야 했습니다. 니카드는 원래 들어 있었으니 가격을 알 수는 없지만, 니켈수소가 고가임은 딱 봐도 알 수 있습니다.

 

마지막으로 박스 어디에도 나와 있지 않던 충전 시간

 

 동봉된 충전기의 규격은 12V에 120mAh로 되어 있습니다. 니카드의 용량은 700mh 이므로 700mAh/250mA로 계산하면 약 3시간의 충전 시간이 필요합니다. 

 과충전을 방지를 위한 어떠한 장치도 달려있지 않아 있으므로, 시간을 잘 재어가며 충전 해야 오래 쓸 수 있습니다. 같은 방법으로 니켈 수소도 계산하면 약 아홉 시간 정도 충전을 해야 함을 알 수 있지요. 

 그런데 역시 검색하다 재미난 글들을 찾았습니다. 

 니켈 수소는 전용 충전기를 사용해야 한다는 내용이었습니다. 니켈 카드뮴 충전기를 사용할 경우 70%정도만 충전이 된다는 소리 였습니다. 전압도 같고, 충전 전압, 전류량이 같은데 이건 또 뭥미? 그냥 전기 흘려주고 시간 지키면 되는 거 아닌 가요?

 

배터리 용량과 방전율, 사용시간 

 

 

 왜 수소 전용 충전기를 써야하는 지에 대한 명쾌한 답을 주는 곳은 없었습니다. 단순히 용량 차이 때문에 니카드 충전기로 충전하게 되면 완전 충전이 되지 않는 다는 이유 뿐이었습니다. 약 70% 정도만 충전 된다는 이야기만 들려 오고 있었지요. 

출처 : www.homefly.com

 한참을 구글링 한 끝에 왜 전용 충전기가 필요한지에 대한 단서가 나와있는 곳을 찾았습니다.

 

베터리 관련 지식 강의

 

 

내용이 좀 긴데, 눈여겨 볼 부분은 바로 이곳입니다.

 

 니카드와 니켈수소는 충전전류를 일정하게 하고 충전전압을 서서히 올려주면서 충전하는 방식을 따르고 있습니다. 

 니카드와 니켈수소의 특징상 충전이 다되면 순간적으로 피크 전압을 띄게 되는데 이 시점을 충전기에서 check하여 충전종료를 하게 됩니다. 

 보통 델타피크라 하여 니켈수소는 5mV~10mV정도 됩니다.

 

 보통 충전기들은 과충전을 방지 하기 위해 저 델타 피크라고 불리는 부분의 전압을 측정하여 충전을 중지 시킵니다. 

출처 : www.maximintegrated.com

 과충전은 또 다른 메모리 효과를 불러오고, 잔류 충전때 보다 임팩트가 더 크기 때문에 조심해야 하는데요. 니켈 카드뮴의 델타 피크 전압은 니켈 수소의 델타 피크 전압 보다 낮아 보다 이른 시간에 컷오프가 된다는 추정이 가능 합니다.

 

니켈 카드뮴 충전기가 보다 낮은 전압에서 완충으로 인식하고 니켈 수소의 충전을 중지한다는 소리 입니다.

 

(아래 짤 처럼 충전 전압, 충전 전류를 실시간으로 확인할 수 있는 장비들도 있습니다.)

출처 : www.aliexpress.com

  제 충전기를 보시면 보호장치 따위는 없습니다. 흔히 보는 전기장치들의 콘센트 입니다. 출력 전압과 전류량만 조절해 줄 뿐입니다. 

 때문에 오히려 제가 니켈수소를 충전 할 때는, 시간만 잘 맞추어 주면 이론상 완전 충전도 가능합니다! 아이러니하지요. 저렴한 탓에 완충이 가능하다니요. 물론 시간을 조금 놓쳐 과충전 되면 배터리는 그냥 날라가겠지만요. -_-;;;;

(리튬이온과 니켈수소가 같이 충전되는 신박한 물건도 있습니다...)

출처 : www.liteshop.com.au 

 니켈 카드뮴과 니켈 수소에 대해 이런저런 내용을 살펴 보았는데요. 네 가지로 결론을 정리 했습니다.

 

니카드는 싸다, 그러나 용량이 작고 수명이 짧다, 메모리 효과도 크다.

 

니켈 수소는 비싸다 그러나 용량이 크고 수명이 비교적 길다. 메모리 효과가 적다.

 

각각 전용 충전기를 사용할 때 더 오래쓸 수 있다.

 

전용 충전기가 없을 때는 충전기 용량을 충전 전류량으로 나누어 시간을 계산한다.

 P.S. 중국제 RC 배터리 팩 묶음이 직렬 2100 mAh 인데, 아래 사진을 보세요. 용량이 두배인 4200mAh의 위엄...

출처 : www.redrc.net.

한국 타미야 - 배터리 가이드

Zest RC  - 배터리 종류 및 관리

(다른 포스팅을 보려면 클릭하세요)