화학 전지의 원리

화학 전지의 원리

■ 화학 전기의 발견

전지는 1780년에 처음으로 등장했습니다. 당시 해부학 교수였던 루이지 갈바니(1737-1798)는 해부한 개구리 다리가 금속제의 해부칼에 닿자 경련이 일어나는 것을 관찰했습니다. 갈바니는 이를 보고 전기가 개구리의 신경 속에 숨겨져 있다고 생각해서 '동물 전기'라고 이름을 붙였습니다. 하지만 이에 의문을 품은 알렉산드로 볼타(1745-1827)가, 전기는 종류가 다른 두 금속이 접촉하면 일어난다는 사실을 발견했습니다.

▲ 전기에 대한 갈바니와 볼타의 의견(출처: 에듀넷)

볼타가 주장했듯이 전지에 있어서 우리가 주목해야 할 부분은 바로 서로 다른 두 종류의 금속의 접촉입니다. 금속은 전자를 내놓고 양이온이 되는 성질을 가진 원소로서 이들이 전자를 내놓으려는 정도는 금속마다 다릅니다. 이를 정리한 표는 다음과 같습니다. 왼편에 있는 금속일수록 전자를 잘 내놓고 반응성이 크며, 오른편에 위치할수록 전자를 잘 내놓지 않고 반응성이 작은 금속에 속합니다.

▲ 금속의 반응성(출처: 에듀넷)

▲ 파라핀 오일에 보관 중인 나트륨과 자연 상태에서 산출된 금(출처: 에듀넷)

위의 사진을 볼 수 있듯이 나트륨은 반응성이 너무 커서 물에 닿으면 폭발의 위험성이 있기 때문에 기름 속에 보관하는 것에 반해 금은 반응성이 작아서 다른 물질과 반응하지 않고 자연 상태에서 순수한 금의 상태로 산출되며, 고대부터 귀금속으로서 인류에게 사랑을 받아왔습니다.

■ 볼타 전지의 작동 원리

볼타는 수차례의 실험을 통해 두 종류의 서로 다른 금속과 습기만 있으면 전기가 발생된다는 것을 발견하였고, 인류 최초로 전류를 지속적으로 발생시킬 수 있는 볼타 전지를 발명하였습니다. 볼타 전지는 구리 원반과 산 용액에 적신 헝겊, 그리고 아연 원반을 교대로 쌓아서 만들어진 것입니다. 현재는 여러 가지 단점들 때문에 잘 사용되지는 않지만 당시에 물을 전기 분해하는 데에 쓰이는 등 화학의 발전에 지대한 공을 세운 작품이기도 합니다.

볼타 전지가 작동하는 원리는 금속들이 전자를 내놓으려는 정도가 다른 것을 이용한 것입니다. 서로 다른 두 종류의 금속을, 전자가 이동하면서 반응을 일으킬 수 있는 용액과 접촉할 수 있는 상태에 두면, 화학 반응이 일어나 두 금속 사이에 전자의 흐름을 만들 수 있는 힘이 생기게 됩니다. 즉, 도선을 통해 반응성이 큰 금속에서 반응성이 작은 금속으로 전자가 이동하여 전류가 흐르게 됩니다.

▲ 볼타 전지와 볼타 전지의 반응(출처: 에듀넷)

우리는 아주 손쉽게 이 역사적인 도구를 재현할 수 있습니다. 그것은 바로 과일을 이용하는 것인데요. 과일에 아연판과 구리판을 꽂고 도선을 연결한 다음 전구를 연결하면, 신기하게도 전구에 불이 들어오는 것을 알 수 있습니다.

하지만 과일 전지는 시간이 지나면 더 이상 전구를 밝힐 수 없게 됩니다. 마찬가지로 일반 건전지는 일정 기간 동안 사용한 후에는 수명이 다하여 다시 사용할 수 없지요. 그것은 바로 반응할 수 있는 화학 물질이 거의 다 소모되었거나 전해질이 고갈된 상태이기 때문입니다.

한편 전지의 재사용이라는 새로운 길을 개척한 2차 전지의 등장은 경제적, 환경적으로 이로운 결과를 가져왔습니다. 2차 전지의 원리는 외부에서 전기 에너지를 공급해 줌으로써 기존의 전지 반응의 역반응을 일으켜 화학 에너지로 저장해 두었다가 필요할 때마다 전기를 쓰는 것입니다. 2차 전지에는 일반 자동차의 축전지로 쓰이는 납축전지, 전동 드릴 등에 쓰이는 니켈-카드뮴 전지, 휴대전화부터 전기자동차까지 널리 쓰이는 리튬 이온 전지 등이 있습니다.

[ 여러 가지 2차 전지 ]

▲ 납축 전지(출처: 에듀넷)

▲ 니켈-카드뮴 전지(출처: 에듀넷)

▲ 리튬 이온 전지(출처: 에듀넷)

[ 충전 중인 2차 전지 ]

▲ 전기 자동차의 충전(출처: 에듀넷)

▲ 충전식 건전지의 충전(출처: 에듀넷)

■ 배터리를 오래 사용하는 비법

자신이 사용하는 기기의 전지 유형을 파악하는 것이 배터리를 오래 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다.

니켈-카드뮴 전지	• 전동 드릴이나 RC카에 주로 이용됨  • 방전이 충분하지 않은 상태에서 충전을 하면 최대 충전 용량이 줄어드는 기억 효과가 있음  • 완전히 방전 후에 충전을 하는 것이 좋음
니켈-수소 충전지	• AA타입 충전지에 많이 쓰임  • 니켈-카드뮴 전지와 마찬가지로 완전히 방전 후 충전하는 것이 좋음
리튬 이온 전지	• 많은 휴대기기에 사용됨  • 기억 효과가 거의 없어 오히려 특성상 완전 방전 시 회로의 손상이 가속화되어 전지의 수명과 성능이 저하됨  • 수시로 충전하는 것이 좋음  • 과충전되면 좋지 않으므로 과충전 방지 기능이 내장되어 있는 정품 배터리와 충전기를 사용하는 것이 좋음  • 급속 충전은 배터리 내부에 농도 차이를 발생시키므로 가급적 자제하는 것이 좋음  • 주변 온도가 낮으면 화학 반응 속도가 느려져 더 빨리 소모되는 경향이 있으므로 따뜻하게 보관하면 더 오래 사용 가능함

2차 전지는 반도체, 디스플레이와 함께 전자 기기 시장을 이끌어 나가는 3대 부문에 속하는 중요한 부품으로서 앞으로의 발전 가능성도 무궁무진합니다. 현재 우리나라의 기업들이 세계 2차 전지 시장에서 1, 2위를 다투고 있으며 전지의 소형화와 용량 개선을 위해 힘쓰고 있습니다.

[자료출처: 에듀넷]