일차전지와 이차전지는 어떻게 다른가?

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전지(電池)는 전기 에너지를 작은 공간에 저장해두고 필요할 때 사용할 수 있게 만든 것이다. 최초의 전지는 1799년에 이탈리아의 과학자 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta 1745-1827)가 발명했다. 전지를 영어로는 전기 배터리(electric battery) 또는 전기화학 셀( electrochemical cell)이라고 하는데, 이는 물질이 가진 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치이기 때문이다.

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전지라고 하면 손전등이나 오디오, 벽시계 등에 끼워 사용하는 작은 원기둥 모양의 1.5볼트 건전지가 먼저 생각난다. 손목시계나 계산기 등에는 손톱보다 작은 단추전지를 넣어 쓴다. 휴대전화기, 디지털카메라, 전기면도기, 노트북 컴퓨터에는 재충전이 가능한 또 다른 형태의 전지가 들어 있다. 자동차의 보닛을 열어보면 시동을 걸어주고, 차가 움직이는데 필요한 전력을 공급하는 큼직한 자동차 배터리가 있다. 태양전지, 연료전지, 원자력전지라는 것도 있다.

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전지는 종류가 매우 많지만, 과학자들은 더욱 만족스러운 전지를 계속하여 개발하고 있다. 특히 21세기에 와서는 화석연료를 태우지 않고 힘껏 달리도록 할 수 있는 자동차용 전기 배터리를 경쟁적으로 개발하게 되었다. 전기 배터리는 에너지가 소비되면 충전을 하여 다시 본래의 상태로 되돌릴 수 있다.

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양극재와 음극재

모든 전지의 공통된 특징은 양극(陽極 cathode)과 음극(陰極 anode)을 구성하는 화학물질이 있다는 것이다. 양극을 만드는 물질은 양극재(陽極材), 음극 쪽의 물질은 음극재(陰極材)라 한다. 양극과 음극 사이에 전선을 연결하면, 음극으로부터 나온 전자들이 도선을 따라 양극으로 이동한다. 전류란 이러한 전자의 흐름이다.

 

전자는 음극에서 양극으로 이동하지만, 학교에서 배울 때는 “전류는 양극에서 음극으로 흐른다.”고 말한다. 그 이유는 양극의 전압이 음극보다 높기 때문이다. 즉 수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 흐르듯이, 전류도 전압이 높은 양극에서 낮은 음극으로 흐르는 것이다.

 

 

일차전지와 이차전지

손전등용 건전지나 텔레비전 리모컨 내부의 건전지는 한 번 쓰고 나면 재충전하지 못하고 버려야 한다. 1차례만 사용할 수 있는 전지를 일차전지(primary battery)라 한다. 반면에 자동차 배터리나 휴대전화, 디지털 카메라, 노트북의 전지처럼 몇 번이고 재충전할 수 있는 것은 이차전지(secondary battery) 또는 축전지(蓄電池 storage battery)라 한다. 힘이 약해진 2차전지를 재충전하려면 충전장치를 사용하여 전류를 반대 방향으로 흘려보낸다.

 

 

 

 

일차전지의 대표인 1.5V 건전지(dry cell)는 탄소아연전지(carbon zink battery)라 한다. 탄소 막대(carbon rod) 위에 금속 캡(metal cap)을 붙인 것이 양극(+)이다. 흑연 막대 주변은 이산화망간(manganese oxide, MnO2)이 싸고 있고, 그 주변을 수분을 머금은 염화암모늄(moist paste of ammonium chloride, NH4Cl)이 다시 덮고 있다. 건전지의 음극(-) 역할은 외부 전체를 둘러싼 아연판(zink case, Z)이 한다. 아연판 바닥에는 전도성이 좋은 금속(metal bottom)을 붙여 두었다.

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건전지의 음극 역할을 하는 아연은 염화암모늄 속의 염소와 결합하면서 전자를 방출하게 된다.

Zn + 2 Cl → ZnCl2 + 2e-

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음극에서 나온 전자는 양극으로 들어가 아래의 화학반응에 참여한다.

2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e− → Mn2O3 + 2 NH4OH + 2 Cl−

 

 

작은 단추전지는 일차전지

일반적으로 손목시계에 넣은 작은 전지는 수명이 1- 5년, 때로는 그 이상일 것이다. 작으면서 수명이 긴 이런 단추전지(button battery)는 여러 곳에 쓰인다. 어떤 심장병 환자는 심장이 잘 뛰도록 자극하는 단추전지가 부착된 ‘심장 페이스 메이커’라는 것을 가슴 속에 파묻거나 붙이고 생활한다. 단추전지는 재충전하여 사용하지 못하는 일차전지이므로, 일정한 기간이 지나면 교환해야 한다.

 

 

 

 

단추전지는 작고 비싸지 않아 용도가 많다. 단추 전지를 처음 개발했을 때는 수은을 사용했으나, 수은은 환경오염을 일으키므로 사용이 자유롭지 않았다. 이후 수은 대신 리튬이라는 금속을 사용하는 전지가 개발되었다. 단추 전지는 휴대용 전자제품만 아니라, 밤낚시를 할 때 장시간 밝은 빛을 내는 낚시찌로도 사용한다.

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최고의 전지를 만드는 전극 재료 리튬

뉴스에서는 이차전지, 리튬이온전지(lithium ion battery)라는 말이 자주 나온다. 재충전이 가능한 이차전지 종류도 몇 가지가 있지만, 오늘날 가장 중요한 이차전지는 휴대전화, 노트북, 전기자동차 등에 사용되는 리튬이온전지이다.

 

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리튬(Li, 원자번호 3)이라는 원소는 금속 가운데 가장 무르고 가장 가벼운 은백색 물질이다. 리튬은 다른 원소와 화학반응을 유난히 잘하는 성질이 있다. 리튬이 다른 물질과 화학반응을 잘하는 이유는 외각의 전자를 쉽게 떼어주는 성질이 있기 때문이다. 이런 리튬은 지구상에 33번째로 많이 존재하는 원소이지만, 전부 다른 원소와 화합한 상태로 존재한다. 그러므로 리튬을 전극 재료로 사용하려면 화합물 상태로 존재하는 것을 화학적으로 순수분리해야 한다.

 

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작고 가벼우면서 큰 힘을 내는 리튬이온전지는 자동차나 소형 전자장치만 아니라 우주선, 각종 무기의 동력원으로도 이용된다. 특히 이 전지는 사막의 태양광발전소와 우주공간의 태양전지판에서 생산된 전기를 저장해두는 축전지로도 중요하다. 성능이 좋은 리튬이온전지에 대한 연구는 오늘날 전기화학자들의 경쟁적인 연구개발 과제이다.

 

 

 

 

이차전지는 여러 종류가 있다. 전기자동차용 리튬이온전지는 여러 가지 이차전지들 중에 가장 전압이 높은 전류를 생산한다.

 

 

 

 

리튬이온전지의 전력이 소비되었을 때, 충전(充電 electric charge)을 하면 이온의 이동이 반대 방향으로 일어나 전지는 다시 전기 에너지를 갖게 된다.

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삼차전지라 불리는 연료전지

연료전지(fuel cell)는 ‘전지’라는 말이 붙어 있지만, 이것은 수소와 산소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 일종의 발전기(發電機)이다. 많은 과학자들은 꿈의 전지라고도 불리는 연료전지를 다투어 개발하고 있다. 초기의 연료전지는 수십 년 전부터 우주선 등에서 사용해 왔다. 연료전지는 수소와 산소를 촉매로 반응시켜 전기와 함께 물까지 얻도록 만든 것이다.

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수소와 산소는 우주선을 발사하는 연료이기도 하다. 우주선에서 쓰는 연료전지는 로켓용 연료 탱크에 담긴 수소와 산소 일부를 사용하여 전기를 생산한다. 연료전지에서는 전기가 생산되는 동시에 물이 만들어지므로, 대기층과 우주공간을 더럽힐 공해의 위험이 전혀 없고, 물은 우주비행사의 생활에도 사용할 수 있다. 또한 연료전지에서 전력이 생산될 때는 우주선 내부를 따뜻하게 해줄 열도 함께 발생한다.

 

 

연료전지는 수소와 산소가 화학적으로 잘 화합하도록 백금을 촉매로 사용한다. 가볍고도 효율이 좋은 연료전지가 개발되면, 연료전지 자동차도 실용화 될 것이다. 연료전지 자동차는 휘발유 대신 무공해 연료를 사용하므로 매연을 염려하지 않아도 되고, 이산화탄소를 배출하지 않으므로 지구의 기온 상승에 영향을 주지도 않을 것이다.

 

 

 

 

오늘날 주목받고 있는 수소자동차와 연료전지 자동차가 실용화되려면 어려운 문제를 우선 해결해야 한다. 이들에게는 막대한 양의 수소와 산소 연료가 필요하다, 이 두 가지 기체를 대량생산하려면 물을 전기분해 해야 하고, 그러자면 엄청난 전력이 소비된다.

 

 

과학자들은 수소와 산소의 대량생산에 필요한 전력을 원자력 발전, 그중에서도 핵융합반응로에서 나오는 값싸고 무한하게 생산되는 전력을 이용하려 한다. 일부 사람들은 연료전지를 ‘삼차전지’라 부르기도 하지만, 전기 에너지를 저장하는 것이 아니라 전기를 생산하는 발전기이므로, 적당한 용어는 아니라고 하겠다.

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전류를 저장해두고 사용하는 전지라는 것이 발명되지 않았더라면, 오늘날의 편리한 전자 도구들은 나타나지 못했을 것이다. 이차전지는 해마다 생산량이 늘어가고 있으며, 기술의 발전에 따라 값은 점점 내려가고 있다. - YS

 

 

 

태양에 가장 근접한 파커 태양탐사선