1. 전지 (Battery, Cell)
ㅇ 전기 에너지를 주로, 전기화학적으로 생산,저축하는 에너지 변환장치
2. 주요 역사적 전지 형태
ㅇ 갈바니 전지 (Galvanic Cell,1791년) : (생물 전기)
- 자발적 전기화학(산화 환원) 반응으로부터 전기에너지를 발생
. 다공성 벽(다리)으로 나뉜 두 이온 용액에, 각각 잠겨있는 2개 다른 금속 전극에 의함
* 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
. 황산 아연(ZnSO4) 용액 속에 금속 아연 전극봉(음극)을 삽입
. 황산 구리(CuSO4) 용액 속에 금속 구리 전극봉(양극)을 삽입
- 두 용액을 염류 용액 다리(Salt Bridge)로 이어서 만듬
. 양 용액 간에 이온 전도성 접촉이 가능토록 염류성 다리를 잇도록 함
- 두 전극 간에 외부 도선 연결로 전류(전자)가 흐르게되면,
. 흘러간 전기량에 비례하며 각 전극 표면에 그만큼 화학반응이 일어남
ㅇ 납 축전지 : (최초의 충전 가능한 전지)
3. 전지 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)
4. 전지 원리
ㅇ 산화 환원 반응이 서로다른 곳(두 전극)에서 진행하며,
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. 전지 분류
ㅇ 화학전지(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)
. 전기 충전하지 않고 외부 연료(활물질)를 연속 공급함으로써 지속 전기 생산이 가능
.. 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 알칼리형, 고체고분자형 등
ㅇ 물리전지
- 태양전지
ㅇ 에너지 저장 장치
- 초고용량 커패시터(슈퍼 커패시터 : 수 패럿 정도의 용량) 등
6. 전지 특성
ㅇ 전지 용량 : 일정 전류를 얼마동안 흘려보낼 수 있는가의 척도
- 단위 : 암페어시 [Ah, Ampere Hour], [mAh]