축전지

왜 배우는가: 축전지는 정전 시 소방·통신·제어·비상조명 등 필수 부하에 전원을 공급하는 직류 비상전원이다. 설계 용량이 부족하거나 종류를 잘못 고르면 비상상황에서 기능을 잃으므로 실무에서 중요하고, 연축전지와 알칼리 축전지의 구분·용량산출·폭발 원인은 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 3교시 3번, 제122회 2교시 5번, 제114회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

축전지는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 저장·방전하고, 외부 직류전원으로 다시 충전해 반복 사용하는 2차전지이다.

• 축전지(Storage battery)
• 2차전지
• 연축전지(Lead-acid battery)
• 알칼리 축전지(Alkaline storage battery)
• 방전종지전압
• 용량(Ah)
• 자기방전
• 황산화(Sulfation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 축전지는 전기를 미리 담아 두었다가 정전이 되면 꺼내 쓰는 통이다. 담을 수 있는 양이 정해져 있고, 이 양을 용량이라고 한다. 용량은 Ah(암페어시) 단위로 표시한다.

정식 정의는 다음과 같다. 축전지는 방전 후에도 외부 충전에 의해 원래 상태로 되돌릴 수 있는 2차전지이며, 정격 용량은 지정된 단자전압 이상을 유지하면서 일정 시간 공급할 수 있는 전하량이다.

2차전지는 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이고, 1차전지(건전지 등)는 재충전이 불가능하거나 권장되지 않는다. 축전지는 이 중 2차전지에 속한다.

방전종지전압은 축전지를 더 이상 방전시키지 않는 한계 단자전압이다. 연축전지의 셀당 방전종지전압은 1.75V가 널리 쓰인다. 이 값 아래로 방전하면 황산납이 극판 구멍을 막아 재충전해도 원래 기능을 회복하지 못한다.

용량(Ah)은 방전 전류와 방전 시간의 곱이다. 같은 전지라도 방전율이 높을수록 이용 가능한 용량이 줄어든다. 온도가 낮으면 화학반응이 느려져 용량이 줄어든다. 따라서 용량은 고정값이 아니라 조건에 따라 달라지는 값이다.

자기방전은 충전된 축전지가 부하 없이 스스로 방전되는 현상이다. 전해액 속 불순물이나 금속 입자가 국부 전지를 만들어 생긴다.

황산화(Sulfation)는 장시간 방전 상태로 두었을 때 극판에 생긴 황산납이 결정화되어 재충전이 되지 않게 되는 현상이다. 연축전지의 대표적인 수명 저하 원인이다.

3. 등장 배경과 필요성

정전 시 전력 공급이 끊기면 소방설비, 통신설비, 제어회로, 비상조명 등은 즉시 동작해야 한다. 발전기는 기동에 시간이 걸리므로 그 사이를 메울 직류 전원이 필요하다. 이때 쓰이는 것이 축전지이다.

초기의 축전지 기술은 납과 황산을 이용한 연축전지가 중심이었다. 연축전지는 전압이 셀당 약 2V로 높고 구조가 비교적 단순해 변전소와 발전소의 제어 전원으로 널리 보급되었다. 한편 1899년 스웨덴의 발데마르 융너가 수산화칼륨 용액을 쓰는 니켈-카드뮴 전지를 발명했다. 이것이 알칼리 전해질을 사용한 최초의 전지이며, 1910년 스웨덴에서 상업화되었다. 알칼리 축전지는 연축전지보다 견고하고 에너지 밀도가 높아 가혹한 환경과 긴 수명이 필요한 곳에서 채택되었다.

즉, 두 축전지의 등장은 비상전원의 신뢰도와 설치 환경 요구를 동시에 만족시키려는 흐름에서 나왔다. 그래서 용량 산출, 종류 선정, 폭발·수명 관리가 모두 설계와 유지관리의 핵심 과제가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

축전지는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하고 필요할 때 다시 꺼내 쓰는 장치다. 전지는 양극, 음극, 전해액, 격리판, 용기로 구성된다. 연축전지(납축전지)는 양극에 과산화납(PbO₂), 음극에 납(Pb), 전해액에 묽은 황산(H₂SO₄) 을 쓴다.

각 구성요소의 역할을 이해하면 방전과 충전 반응이 왜 가역적인지 설명할 수 있다. 전해액은 반응에 직접 참여하므로 비중이 충·방전 상태를 나타내는 지표가 된다.

방전 반응에서 음극의 납은 황산과 반응해 황산납이 되고 전자를 방출한다. 방출된 전자는 외부 회로를 거쳐 양극으로 이동하고, 양극의 과산화납도 황산납으로 바뀐다. 전해액의 황산은 소모되고 물이 생성되어 비중이 낮아진다.

충전 시에는 방전 반응이 역방향으로 진행되어 양극은 과산화납, 음극은 해면상 납으로 복원된다. 이 과정에서 전해액의 황산 농도가 높아져 비중이 올라간다.

연축전지 셀의 기전력은 약 2V이며, 여러 셀을 직렬로 연결해 필요한 전압을 만든다. 셀의 방전 종지전압은 셀당 1.75V 이다.

알칼리 축전지는 전해액이 수산화칼륨(KOH) 수용액이다. 대표적인 것은 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 축전지로, 양극에 수산화니켈, 음극에 카드뮴을 쓴다. 전해액이 알칼리성이므로 황산에 의한 극판 부식과 황산납 결정화가 없어 수명이 길다. 셀 기전력은 약 1.2V이다.

연축전지의 절차는 다음과 같다.

• 방전 시 음극 납이 황산과 반응해 황산납과 전자를 만든다.
• 전자가 외부 회로를 따라 양극으로 이동하며 부하에 전력을 공급한다.
• 양극 과산화납이 황산납으로 바뀌고 전해액 비중이 떨어진다.
• 충전 시 외부 직류 전원이 역반응을 일으켜 극판 물질이 복원된다.
• 방전 종지전압 이하로 방전하면 황산납 결정이 극판 구멍을 막아 복구가 어려워진다.

충전 상태 판별에는 전해액 비중을 쓴다. 완전 충전된 연축전지의 비중은 제조사가 정한 완충 기준값 수준이며, 방전이 진행될수록 낮아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

축전지의 설치와 점검은 전기설비 기준을 따른다. 한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01 부터 적용되며, 직류 전원설비와 축전지 설치 요건을 포함한다. 소방 분야의 비상전원은 소방시설 기준에서 별도로 정한 비상전원 용량과 유지시간을 따른다. 산업 현장에서는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 축전지 취급과 환기에 관한 안전 조치를 요구한다.

기준 수치는 아래 표로 정리한다. 값과 조건은 제조사 방전표와 함께 적용한다.

위 표의 값은 축전지 종류와 제조사에 따라 달라진다. 설계 시에는 제조사 자료를 함께 확인해 적용 조건을 맞춘다.