1. 전지 (Battery, Cell : 전기화학적 셀)
ㅇ 전기 에너지를 주로, 전기화학적으로 생산,저장하는 에너지 변환장치
2. 전지의 주요 역사적 형태
ㅇ 갈바니 전지 (Galvanic Cell,1791년) : (최초의 전지 형태, 생물 전기)
- 자발적 전기화학(산화 환원) 반응으로부터 전기에너지를 발생
. 2개 다른 금속 전극 각각에서, 전자가 생성,소모(입출입)되며, 전자는 외부 전선을 통해 이동
. 다공성 벽(염 다리)으로 나뉜 두 용액에, 각각 잠겨있는 2개 다른 금속 전극에 의함
.. 사실상, 두 전해질 용액이, 물리적으로 분리되고, 이온 만 서로간에 이동 가능 해야함
* 한편, 검류계(Galvanometer)가 그의 이름에서 유래됨
* 한편, 부식 현상은 느린 반응이지만, 갈바니 전지 현상의 일종으로 볼 수 있음
ㅇ 볼타 전지 (Volta Cell,1800년) : (최초의 DC 전지, 오늘날의 전지 원형)
- 묽은 황산 전해액에 2종의 금속 전극판(아연 음극,구리 양극)을 넣어 만든 구조
ㅇ 다니엘 전지 (Daniell Cell, 1836년) : (최초의 실용 전지)
- 분리막을 사이에 두고, 서로다른 두 용액 및 두 전극을 각각 준비
. 전해질인, 황산 아연(ZnSO) 용액 속에, 음극 전극으로, 금속 아연 전극봉을 삽입
. 전해질인, 황산 구리(CuSO) 용액 속에, 양극 전극으로, 금속 구리 전극봉을 삽입
- 두 용액을, 염류 용액 다리(Salt Bridge)로써, 분리막을 통과시켜 이어서 만듬
. 즉, 양 용액 간에 이온 전도성 접촉이 가능토록 염류성 다리를 잇도록 함
. 양쪽 용액 간에 섞이지 않고, 전기적 접촉을 유지하기 위함
- 두 전극 간에 외부 도선 연결로 전류(전자)가 흐르게되면,
. 흘러간 전기량에 비례하며 각 전극 표면에 그만큼 화학반응이 일어남
ㅇ 납 축전지 (Planté, 1859년) : (최초의 충전 가능한 전지)
- 납과 이산화납을 전극으로, 황산을 전해질로 사용
3. 전지의 구성
ㅇ 전극 (Electrode) : 산화 환원 반응이 서로다른 2곳에서 발생/진행
- 음극 (Anode) : 전자를 공급하며 산화되는 전극 (산화 전극)
. 전극 물질이, 전자를 내어주며(전자 축적), 전자를 도선(전극)쪽으로 보낼 수 있게됨
. 금속이 주로 사용됨 : 아연(Zn),리튬(Li),납(Pb),카드뮴(Cd) 등
. 연료전지에는, 수소,에탄올이 직접 공급됨
. 전지의 특성을 결정함
- 양극 (Cathode) : 전자를 받아들여 환원되는 전극 (환원 전극)
. 전극 물질이, 전자를 받을 수 있어서(전자 제거), 전자를 도선(전극)으로부터 받게됨
. 전지 성능 향상을 위해 주요 개선 대상이 됨
ㅇ 분리막 (Separator) : 음극과 양극의 물리적 접촉을 막는 역할
- 두 전극이 물리적으로 분리되지 않으면, 전기화학 반응 대신에,
직접 전자를 주고받는 화학반응에 의해 전기 에너지가 아닌 열 에너지 만 발생됨
ㅇ 전해액 (Electrolyte) : 이온의 이동이 일어나는 매개체
- 주로, 알칼리인지 산성인지로 구분 (例, 알칼리 전지 등)
※ 주요 전지 소재 : 전극 재료, 양극 물질, 음극 물질, 전해질, 분리막 등
4. 전지의 원리
ㅇ 크게,
- (서로다른 두 반응 발생) 산화 환원 반응이 서로다른 곳(두 전극)에서 진행하며,
- (전자의 이동) 전자가 도선을 통해 이동할 수 있게 됨
ㅇ 전기적 화학반응식 例)
- (음극) Zn → Zn2+ + 2e- (아연 용해/해리, 산화 반응)
. 아연 금속이 전극에 전자를 주고, 아연 이온이 되고, 아연 전극은 (-)극을 띔
. 전극 물질이 전자를 내어줄 수 있고, 이때의 전자가 도선쪽으로 이동 가능
- (양극) Cu2+ + 2e- → Cu (구리 석출, 환원 반응)
. 구리 이온이 전자를 받아, 구리 금속을 석출하고, 구리 전극은 (+)극을 띔
. 전극 물질이 전자를 받을 수 있고, 전자를 도선으로부터 받을 수 있음
- (2e- 전자 이동) Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
. 두 전극 간에 도선을 연결하면,
. 아연 금속이 전자를 잃고, 구리 이온이 전자를 받아, 구리가 석출되며,
. 이때 도선을 통해 전류(전자)가 흐름
5. 전지의 분류
ㅇ 화학 전지 (Chemical Battery/Cell) 또는 전기화학 전지 (Electrochemical Cell)
- 일차전지 (Primary Battery/Cell)
. 1회 사용하면 재사용 불가 (볼타 전지, 다니엘 전지, 건전지 등)
- 이차전지 (Secondary Battery/Cell) / 축전지 (Storage Battery)
. 충전을 통해 재사용 가능
.. 납 축전지, Ni-Cd 이차전지(니켈-카드뮴), Ni-MH 이차전지,
리튬 이차전지(리튬 이온전지, 리튬 폴리머 전지, ...) 등
- 연료전지 (Fuel Cell)
. 화학반응 물질 모두 전지 내에 있는 1차,2차 전지와 달리, 반응 물질을 외부에서 공급 필요
.. 전기를 충전 않고, 외부 연료(활물질)를 연속 공급함으로써, 지속 전기 생산이 가능
.. 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 알칼리형, 고체고분자형 등
ㅇ 물리 전지
- 빛,열,원자력 등의 에너지를 전기에너지로 바꿈
.. 태양 전지 등
ㅇ 생물 전지
- 효소,미생물 등이 갖는 생물의 기능을 이용하여, 산화-환원 반응을 일으키는 전지
ㅇ 에너지 저장 장치
- 초고용량 커패시터(슈퍼 커패시터 : 수 패럿 정도의 용량) 등
6. 전지의 특성
ㅇ (작동 전압 : 기전력) 전류를 힘차게 흐르게 하는 힘/능력/추진력의 척도
- 단위 : 전압 [V]
ㅇ (얼마나 큰 힘 : 출력) 얼마나 큰 힘을 낼 수 있는가의 척도
- 단위 : 전력 [W]
ㅇ (얼마나 오래 : 전기 용량) 일정 전류를 얼마동안 흘려보낼 수 있는가의 척도
- 단위 : 암페어시 (암페어아워) [Ah, Ampere Hour], [mAh]
ㅇ (함축된 에너지량 : 에너지 밀도) 무게 당, 부피 당 얼만큼 에너지를 담아낼 수 있는가의 척도
- 단위 : 단위 질량 당 전력량 [Wh/kg], 단위 부피 당 전력량 [Wh/L]
- 현재, 실용화된 전지들은 이론치의 25% 미만