볼타 전지

자발적으로 일어나는 산화-환원 반응이 외부 회로(혹은 전선)로 연결된 전기화학 전지를 볼타 전지 혹은 갈바니 전지(Galvanic cell)라 한다.¹⁾ 볼타 전지의 명칭은 이탈리아 과학자인 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta)가 1800년 두 개의 다른 금속과 전해질로 만들어진 최초의 전지를 제작하여 화학 반응과 전기의 연관성을 발견하는 데 성공한 과학적 공로를 인정하여 그 이름을 따라서 붙인 전지 이름이다. 비록 볼타와 같은 이탈리아 출신의 갈바니가 두 종류의 서로 다른 금속으로 이루어진 해부용 칼이 개구리의 근육에 닿자 해부한 개구리의 근육이 움직인다는 사실을 관찰하여 전기가 화학과 관련되어 있다는 사실을 최초로 실험적으로 입증한 공로는 있으나, 오늘날 우리가 사용하는 전지의 실질적인 원형은 볼타가 발견한 것이다.

볼타의 고향 근처에 있는 Tempio Voltiano에 전시되어 있는 볼타 파일

목차

볼타 파일(voltaic pile)은 인류가 만든 최초의 배터리로 전기를 비교적 안정적으로 만들 수 있는 장치이다. 1800년 볼타는 구리(Cu)와 아연(Zn) 판(disc)을 교대로 적층한 파일을 만들었는데 판 사이에는 바닷물에 적신 종이 또는 헝겊을 끼워 두 판을 분리했다. 상판과 하판을 도선으로 연결하였을 때 볼타 파일을 통해 강한 전류가 흐르는 것을 발견하였다. 볼타는 이러한 과학적 발견을 1800년 3월 영국의 런던 왕립 학회(London Royal Society)에 기고하였다.²⁾ 이러한 과학적 발견은 이후 1801년 윌리엄 니콜슨(William Nicholson)으로 하여금 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 과학적 결과를 얻는데 토대를 제공하였다. 험프리 데이비(Humphry Davy)는 이후 대용량 볼타 파일을 개발하였는데 1808년 2000개의 Zn-Cu 쌍을 이용하여 탄소 아크(carbon arc) 방전(discharging)을 시연하기도 하였으며, 또한 전기 분해를 통해 바륨, 칼슘, 붕소, 스트론튬, 마그네슘을 분리하는 데 성공하였다. 이후 데이비와 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 볼타 파일을 활용한 수많은 실험을 수행하였으며, 마침내 1832년 전기 분해 반응에서 전류와 화학 반응의 정량적인 관계를 밝히는 전기 분해 법칙을 발견하여 전기 화학 발전에 크게 이바지 하였다.

1801년 볼타가 파리에 초청을 받아 나폴레옹 1세 앞에서 몇가지 실험을 하는 모습

구리(Cu)와 아연(Zn) 판 사이에 바닷물에 적신 종이 또는 헝겊을 끼워 제작한 볼타 파일이 전기를 생성하는 원리를 다음과 같다. 우선 금속 아연은 자발적으로 산화되어 Zn²⁺ 이온과 2개의 전자를 생성한다. 이러한 과정은 산화(oxidation) 반응으로 산화 전극(anode)에서 발생한다. 한편 구리 전극 표면에서는 전해질 속에 존재하는 2개의 수소 이온 (H⁺)이 아연 전극의 산화 과정에서 생성된 2개의 전자를 받아 수소 기체 (H₂)를 발생한다. 이러한 과정은 환원(reduction) 과정으로 환원 전극(cathode)에서 발생한다. 구리 전극 표면에서 환원 반응에 의해 생성된 수소 기체는 궁극적으로 기체 거품으로 사라진다.

산화 반응 (산화 전극): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e-

환원 반응 (환원 전극): 2 H⁺(aq) + 2 e- → H₂(g)

전체 반응: Zn(s) + 2 H⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + H₂(g)

(산화전극: 산화) Zn | Zn²⁺ || 2H⁺ | H₂ | Cu (환원전극: 환원)

구리 환원 전극에서의 반응은 Cu²⁺/Cu의 전기 화학 쌍이 관여하지 않으며 단지 전자를 전달해 주는 도체의 역할만을 수행한다. 따라서 구리 전극은 비활성 금속 도체인 Ag, Pt, 스테인리스강, 흑연 등으로 대체할 수 있다. 전류가 흐르지 않을 때 아연/전해질/구리로 구성된 각각의 전지는 바닷물을 사용하는 경우 약 0.76V의 기전력(전압)을 나타낸다. 따라서 볼타 파일을 여러 개의 층으로 제작하면 전압은 증가한다. 예를 들어 6개의 층으로 볼타 파일을 제작하면 4.56 V의 기전력을 얻을 수 있다.