이차전지 / 전기화학 : 출력과 에너지의 차이

전기화학

인트로 - 출력과 에너지

오늘은 전기차를 이해하고 이차전지를 이해함에 있어서 전기화학의 기초가 되는 출력과 에너지의 차이에 대해서 논의해보고자 합니다.

흔히 출력과 에너지는 일상생활에서도 흔히 쓰이고, 기기를 설명할 때에 자주 사용되는 용어이기도 하는데

출력과 에너지는 비슷한 용어인지 다른 개념인지 헷갈려 하시는 분들이 계셔서 이렇게 공유하게 되었습니다.

 

출력과 에너지

출력 (Power) : 일을 얼마나 빨리 할 수 있는가에 대한 능력

에너지 (Energy) : 총 일을 할 수 있는 능력

 

E = 총 일을 할 수 있는 능력 = 전하의 수 x 전하의 에너지 = 용량 X 전압 = Wh = J

P = 일을 빨리 할 수 있는 능력 = 에너지 / 시간

 

출력은 속도와 관련이 있고 에너지는 주행거리와 관련이 있습니다.

서울 - 부산까지의 거리를 주행거리 최대로 두었을 때 서울 - 부산 거리를 100km/hr 로 가는 가 50km/hr를 가는 가에 대한 논의는 출력과 관계가 있고

똑같은 100km/hr로 갈 때 서울-부산을 편도로 가는 가 왕복으로 가는 가에 대한 거리의 개념은 에너지와 관련이 있습니다.

 

에너지와 출력이 모두 높을 경우 100km/hr 속도로 서울-부산을 왕복 할 수 있고, 

에너지가 높고 출력이 낮을경우 50km/hr 속도로 서울-부산을 왕복할 수 있고,

출력이 높고 에너지가 낮을 경우 100km/hr 속도로 서울-부산을 편도로만 갈 수 있다 라고 이해하시면 될 것 같습니다.

 

출력과 에너지의 상관관계

power(출력)과 energy(에너지)가 모두 높을 수 없을까 라고 물었을 때, 정답은 그럴 수 없다 라고 할 수 있겠습니다.

아래 그림을 참고하면 더 뚜렷하게 볼 수 있습니다.

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Ozatay, E., Zile, B., Anstrom, J. and Brennan, S., 2004, June. Power distribution control coordinating ultracapacitors and batteries for electric vehicles. In  Proceedings of the 2004 American Control Conference  (Vol. 5, pp. 4716-4721). IEEE.

배터리 operation 시 전류를 크게 인가하여 출력을 높이면 방전되는 시간은 더 단축됩니다.

100km/hr 로 운전 시 배터리가 닳는 시간을 1시간이라고 가정하였을 때

150km/hr 로 운전 시 1시간도 안되어서 배터리가 닳는다는 거죠.

 

위에 식에서 

power = energy / time 이라고 명시하였으니 다시 말하면 energy = power x time 이 됩니다. 

문제는 전류를 높이면 배터리가 가지는 용량을 모두 발현하기 힘들어지게 되고, 우리가 예상했던 것보다 time 값이 더 작아지게 됩니다. 

 

따라서 power가 증가하는 값보다 time이 감소하는 정도가 더 커 energy는 오히려 작아지게 되는 겁니다.

 

마치며

출력과 에너지의 개념과 상관관계에 대해서 말씀을 드렸습니다.

다음은 왜 전류가 높아지면 배터리가 가지는 용량을 모두 발현하기 힘든 지에 대해서 논의해보도록 하겠습니다.