열전지(熱電池, thermal battery)는 열에 의해 활성화되는 비축형 전지이며, 가혹한 저장 환경 및 장시간 저장 요구조건을 만족하기 위해 고안된 1차전지의 일종이다. 열전지는 신관, 미사일, 포탄 및 다양한 군 응용 분야에 비교적 짧은 시간 동안 고출력을 제공하기 위하여 우선적으로 사용되고 있다. 열전지(Thermal Battery)는 열을 가하면 내부의 고체 전해물질이 녹아 활성화되는 전지로 장기간 보관해도 성능 발휘에 제약이 없어야 하는 유도무기에 주로 활용된다.
개요
열전지(thermal battery)란 상온에서 이온전도도가 없는 고상 무기염 전해질(inorganic salt electrolyte)을 화학열원을 이용하여 즉각적으로 액체로 녹여 높은 이온전도성을 가지게 만듦과 동시에 전지가 작동되어 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 1차 비축전지(primary battery)를 말한다. 상온에서 열전지의 전해질이 이온전도성이 없는 고체로 존재하기 때문에 자가방전(self-discharge)이 없어 우수한 장기 보관 특성을 지기고 있으며, 구조가 간단하여 신뢰성이 탁월하고, 사용온도 범위가 넓다.
열전지 개발 초기에는 Ca/CaCrO₄ 또는 Mg/V₂O₅ 등의 전기화학적 시스템이 사용되어 왔으나, 전지 활성 상태에서 원치 않은 화학반응 발생, 환경오염 문제, 짧은 수명, 낮은 신뢰도 및 전류용량 등의 문제점으로 인하여 현재는 거의 사용되지 않고 있으며, 리튬(Li) 기반의 Li(M)/FeS₂ 전극 시스템이 가장 일반적으로 사용되었다. 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 열전지는 비출력(specific power)이 크고, 보수유지가 불필요하며(maintenance free), 긴 저장 수명(long shelf life), 넓은 작동 온도(wide operation temperature) 및 높은 신뢰도(high reliability) 등의 장점으로 추진체(projectiles), 로켓(rockets), 어뢰(torpedoes), 미사일(missiles)용 전원 및 항공기 (aircraft)의 비상 전원(emergency power sources) 등과 같은 다양한 특수 목적의 군사용 전원으로 널리 사용되고 있다.
최근에 들어서 새로운 양극 및 음극의 개발, 낮은 용융점을 가지는 전해질 개발, 고효율의 단열재 개발 등을 통해 수십분~2시간 정도까지 사용가능하는 열전지가 개발되고 있으며, 이러한 개발을 통해 기존에 군용으로 널리 사용되었던 비축전지인 Li/SOCl₂를 빠르게 대체하고 있다.
열전지 작독원리 및 구조
대표적인 열전지의 내부 및 외부 구조를 오른쪽 그림에 나타내었다. 외부의 전기적 펄스가 가해지면 점화기(igniter)가 작동하고, 점화기에서 분사된 불꽃이 열원(Fe/KClO₄ heat pellet)을 점화시켜 발생한 열에 의해 고체 전해질이 용융되면서 기전력이 발생하게 된다. 이 모든 것이 수 초 이내에 진행되는데, 소형 열전지는 수백 ㎳ 이하, 대형 열전지는 수 초 이상 소요되는 경우도 있다. 활성화된 열전지는 활물질이 소진되거나, 용융된 전해질이 응고되면 전지로서의 수명을 다하게 된다. 따라서 적정량의 활물질 설계, 전기화학 반응에 의한 내부 가스발생의 최소화 설계 및 최적의 열균형(heat balance) 설계가 매우 중요한 설계 인자로 작용한다. 열전지 내부를 작동 온도(약 500℃)로 유지하기
위해서 사용시간을 고려하여 단열성능이 우수한 단열재를 선택하고, 케이스는 반응성이 큰 전극 활물질이 외부와의 접촉하는 것을 차단하기 위해서 유리-금속접합(glass-to-metal seal)과 용접으로 밀봉하여 제작된다.
참고자료
같이 보기
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