건전지

전기 배터리의 일종인 건전지는 ‘마른 전지’라는 뜻으로, 전해질에 수분이 거의 없는 1차 전지(전기 화학 전지)이다 (그림 1). 대체로 휴대용 전자 기기에 사용된다. 이와는 반대로 습식 전지(wet cell)는, 차량용 전지로 많이 쓰이는 연축전지와 같이 액체 상태의 전해질이 들어 있는 1차 전지를 말한다. 건전지는 실제로 수분이 완전히 없는 상태가 아니며, 전해질 페이스트를 사용하여 약간의 수분으로 전류가 흐를 수 있다. 습식 전지와 달리 건전지는 자유 상태의 액체를 포함하지 않아 누출 없이 모든 방향으로 작동할 수 있어 휴대용 장비에 적합하다.

일반적인 건전지는 망간건전지(망간전지, 아연-탄소 전지)로, Leclanché cell이라 부르기도 한다. 정격 전압은 같은 아연-이산화망간을 사용하기 때문에 알카라인 전지와 같은 1.5 V이다. 표준 건전지는 일반적으로 원통형의 아연 산화전극(anode)과 중심에 환원전극(cathode)인 탄소 막대가 박혀 있다 (그림 2). 전해질은 페이스트와 같은 형태인 염화암모늄으로 아연 산화전극 부근에 있다. 전해질과 탄소 환원전극 사이의 공간은 염화암모늄과 이산화망간으로 구성된 2차 페이스트로 채워져 있으며 이 물질은 감극제(depolarizer)로서 작용한다. '하이파워' 배터리로 판매되는 배터리는 염화암모늄 대신 염화아연을 사용한 것이다.

그림 1. 다양한 종류의 건전지 ()

그림 2. 건전지의 구조 (출처: 한국물리학회)

- 역사

1866년 프랑스 과학자인 조르주 르클랑셰(Georges Leclanché, 1839-1882)가 아연-이산화망간을 사용한 전지를 발명한 것으로 시초로 1886년 독일 과학자 칼 가스너(Carl Gassner, 1855-1942)가 르클랑셰의 설계(Leclanché cell)를 다시 개조하여 최초의 진정한 건전지를 만들고 독일 특허(제 37,758호)를 취득했다. 현재의 건전지와는 달리 염화암모늄을 석고와 혼합하여 페이스트(전해질)로 만들었으며, 소량의 염화아연을 첨가하여 전지의 수명을 연장시켰다. 이산화망간 환원전극은 페이스트에 담가져 있었으며, 산화전극으로 작용하는 아연 껍질로 밀봉되었다.

- 원리

건전지는 아연과 이산화망간 사이의 전기 화학 반응으로 정격 정압이 1.5 V인 1차 전지이며, 한번 방전이 되면 다시 충전이 되지 않는 일회용 전지이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@(-) \text{극} ( \text{산화 반응}) : Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-[E^\circ = -0.7626V]@@NAMATH_DISPLAY@@

건전지 외부에 있는 아연은 산화되면서 아연(Zn)은 아연 이온(@@NAMATH_INLINE@@Zn^{2+}@@NAMATH_INLINE@@)이 되어 전해질 속에 녹게 되고 외부에 있는 아연에는 전자를 남겨 (-)극을 띠게 된다. 이 때 전해질 속에 녹아 있는 염화암모늄은 전리해서 암모늄 이온(@@NAMATH_INLINE@@NH^{4+}@@NAMATH_INLINE@@)과 염화 이온(@@NAMATH_INLINE@@Cl^-@@NAMATH_INLINE@@)이 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@NH_4Cl \rightarrow NH^+_4 + cl^-@@NAMATH_DISPLAY@@

전해질 속의 암모늄 이온은 아연 이온(@@NAMATH_INLINE@@Zn^{2+}@@NAMATH_INLINE@@)에 의해 탄소 막대 쪽으로 모이게 되고 탄소 막대에서 전자를 얻어 암모니아(@@NAMATH_INLINE@@NH_3@@NAMATH_INLINE@@)와 수소(@@NAMATH_INLINE@@H_2@@NAMATH_INLINE@@)로 분해된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@2NH^+_4 + 2e^- \rightarrow 2NH_3 + H_2 \uparrow@@NAMATH_DISPLAY@@

탄소 막대는 전자가 부족하므로 (+)극이 된다. 탄소 환원전극 근처의 이산화망간(@@NAMATH_INLINE@@MnO_2@@NAMATH_INLINE@@)은 (+)극에서 발생한 수소 가스(@@NAMATH_INLINE@@H_2@@NAMATH_INLINE@@)와 반응한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@2MnO_2 + H_2 \rightarrow Mn_2O_3 + H_2O@@NAMATH_DISPLAY@@

이 때 발생하는 암모니아 기체는 아연-암모니아 착물 이온을 형성해 암모니아 기체의 생성을 막아준다.

@@NAMATH_DISPLAY@@4NH_3 + Zn^{2+} \rightarrow Zn(NH_3)_4^{2+}@@NAMATH_DISPLAY@@

즉, (+)극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

@@NAMATH_DISPLAY@@(+) \text{극}( \text{환원 반응}) :2{ MnO_{ 2 } + 2NH^{ + }_{ 4 } +2e^{ - } \rightarrow Mn_{ 2 } O_{ 3 } +2NH_{ 3 } +H_{ 2 } O } [E ^\circ \approx +0.5V] @@NAMATH_DISPLAY@@

(-)극과 (+)극에서 일어나는 반응식을 결합하면

@@NAMATH_DISPLAY@@Zn+2MnO_{ 2 } + 2NH_{ 4 } \rightarrow Mn_{ 2 } O_{ 3 } +H_{ 2 } O +Zn_{ 2 } +2NH_{ 3 } @@NAMATH_DISPLAY@@

이러한 반응으로 인해 화학에너지가 전기 에너지로 변환된다. 그리고 에너지는 외부 회로를 통해 배터리에서 연결된 장치로 흐른다.