축전지

다른 표기 언어 battery , 蓄電池

요약 축전지가 전류를 발생시키는 과정은 축전지를 구성하는 화합물질들의 배열을 통해 전자들이 축전지의 한 쪽에서 나가 외부회로를 통하여 다른 쪽으로 흘러들어가게 하는 것이다. 전지에서 전자가 회로로 흘러들어가는 부분은 음극(anode) 또는 (－)전극이라 하고 회로로부터 전자를 받아들이는 부분은 양극(cathode) 또는 (＋)전극이라 한다.
최초의 축전지는 1800년경 이탈리아 파비아대학교의 자연철학교수인 알렉산드로 볼타 가 만들었던 것으로 보인다. 충전상태에서 볼타 전지의 두 전극 사이에는 전위차가 나타난다. 전위차는 전자가 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 이동할 때 이용할 수 있는 화학 에너지의 양으로 결정되고, 따라서 전극으로 쓰는 물질의 화학성질에 좌우된다.
볼타 전지에는 크게 1차전지와 2차전지(충전전지) 2가지가 있다. 때로는 2차전지를 축전지라고도 한다. 1차전지는 단 한 번의 연속적인 혹은 간헐적인 방전만을 한다. 반면 2차전지는 방전한 후 다시 원래 상태와 비슷하게 재충전할 수 있다.

축전지가 전류를 발생시키는 과정은 축전지를 구성하는 화합물질들의 배열을 통해 전자들이 축전지의 한 쪽에서 나가 외부회로를 통하여 다른 쪽으로 흘러들어가게 하는 것이다. 전지에서 전자가 회로로 흘러들어가는 부분은 음극(anode) 또는 (－)전극이라 하고 회로로부터 전자를 받아들이는 부분은 양극(cathode) 또는 (＋)전극이라 한다. 전기도금 전지·전자관처럼 전류를 소모하는 장치에서 종종 anode는 양극으로 (＋)전극에 해당하며, 반면 (－)전극이 음극의 cathode로 불린다.

최초의 축전지는 1800년경 이탈리아 파비아대학교의 자연철학교수인 알렉산드로 볼타가 만들었던 것으로 보인다(→ 볼타). 나중에 볼타 전퇴라고 불리게 된 이 장치는 은과 아연원판 사이에 소금물을 충분히 적신 판자를 끼워넣고 이것을 여러 개 겹쳐놓았다. 가장 위에 있는 은원판과 밑바닥에 있는 아연원판을 전선으로 연결하면 전류가 흘렀다.

1836년 영국의 화학자 존 F. 다니엘은 볼타 전지의 원형격인 축전지를 개발했다. 볼타 전지는 전해액 속에 전자친화도가 서로 다른 2가지 화학물질이 들어 있으며, 이들은 외부회로를 통해 서로 연결되어 있다. 이 두 화학물질을 전기화학쌍이라 한다. 예를 들어 아연-산 전지에서 전기화학쌍은 아연-수소이온쌍이다. 볼타 전지에서 전기화학쌍 사이에서 일어나는 반응은 산화-환원 반응이다.

충전상태에서 볼타 전지의 두 전극 사이에는 전위차가 나타난다. 전위차는 전자가 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 이동할 때 이용할 수 있는 화학 에너지의 양으로 결정되고, 따라서 전극으로 쓰는 물질의 화학성질에 좌우된다. 한 전지에서 흘러나오는 전류는 전지 자체의 내부저항과 전체 회로의 저항에 의해 결정된다. 만약 아주 큰 전류를 원한다면 내부저항이 작은 전지가 필요한데 이때는 전극의 면적을 넓게 하면 된다. 즉 한 전지가 만들 수 있는 최대 전류는 전극의 면적에 비례한다. 전류가 흐르게 되면 전극에서 일어나는 화학반응의 느린 속도와 전지가 가지고 있는 내부저항 때문에 전압이 감소한다.

전지는 한정된 에너지 함량, 즉 용량을 가지며 대개 A·h(암페어-시)로 나타내고, 음극에서 나와 양극으로 들어가는 전자의 수로 정해진다. 주로 전극 중의 하나가 완전 소모됨에 따라 전지의 화학 에너지가 모두 소모되면 전압은 0이 되며 다시 쓸 수 없다. 전지의 용량은 전극의 활성 성분의 양으로 결정한다. 볼타 전지에는 크게 1차전지와 2차전지(충전전지) 2가지가 있다. 때로는 2차전지를 축전지라고도 한다. 1차전지는 단 한 번의 연속적인 혹은 간헐적인 방전만을 한다. 반면 2차전지는 방전한 후 다시 원래 상태와 비슷하게 재충전할 수 있다. 충전과정은 방전과정의 반대이므로 2차전지의 전극 반응들이 가역적이어야 한다.

1차전지

건전지(乾電池)·습전지(濕電池)·고체 전해질 전지 등 몇 가지 종류가 있다. 건전지는 실제로는 건조한 것이 아니고 유동성이 없는 수용성 전해질이 들어 있다.

많은 건전지는 밀봉되어 있어 전해액이나 반응물이 새는 것을 막는다. 이와 같은 1차전지의 예로 손전등, 장난감, 휴대용 트랜지스터 라디오에 쓰는 산(酸) 건전지(탄소-아연전지), 카메라, 테이프 리코더, 전기 면도기에 쓰는 알칼리 건전지, 보청기, 카메라 섬광장치에 쓰는 수은 전지가 있다.

습전지에는 유동성 있는 자유 전해액이 들어 있다. 습전지는 전화·전신 회로와 해양·광산·고속도로·철도에서 쓰는 신호장치처럼 큰 용량과 적당히 높은 전류를 필요로 하는 곳에 쓰인다. 아연-산화구리-수산화나트륨의 라랑드 전지와 아연-공기-수산화나트륨 전지가 이런 용도로 특히 널리 쓰인다.

1차습전지에는 마그네슘-염화은이나 마그네슘-염화구리(Ⅰ)를 전극 물질로 쓰는 예비전지(豫備電池)도 있다. 이 화합물들은 전해액(바닷물 또는 액체 암모니아)에 쉽게 부식되므로 전해액을 따로 저장해서 전지를 만들며, 사용하기 바로 전에 전해액을 첨가한다. 예비전지는 주로 군사용으로 많이 쓰인다. 고체 전해질 전지는 이온 전도율이 높은 요오드화은이나 염화납과 같은 결정성 염을 전해질로 쓴다. 이들은 전기소모가 적은 장시간용이나 예비용으로 적합하다. 소형 고체염 전해질 전지가 개발되어 많은 전자장치에 쓰이고 있다.

2차전지

2차전지

똑같은 볼타 전지 여러 개를 조합해서 만든다. 이용 가능한 여러 형태의 충전전지 중 납-산 형태가 가장 널리 쓰인다. 자동차, 특히 승용차와 트럭 전기장치의 전력원으로 쓰이며, 비상등이나 통신회로에 전기를 공급할 때도 많이 사용한다. 납-산 전지의 활성성분은 황산과 각각 순수한 납과 이산화납으로 된 2쌍의 전극이다. 각 구성전지는 병렬로 연결되어 있는 몇 개의 전극쌍으로 이루어지고 약 2V의 전압을 낼 수 있다. 3개 또는 6개의 전지를 직렬로 연결하면 6V 또는 12V의 전지가 된다. 각 전지 속에 들어 있는 황산 전해액은 구역별로 분리되어 저장된다. 방전할 때는 전극을 이루는 물질이 황산납으로 변하고 황산은 점점 없어진다. 방전은 모든 화학물질이 전부 소모되기 전, 대개 산이 더이상 활성물질에 도달하지 못할 때 그친다. 직류 전류를 축전지에 통과시켜 충전하면 화학변화가 역으로 일어나고 전극에 있는 황산염이 치환(置換)되어 황산의 비중이 증가한다(연축전지).

그밖의 중요한 충전전지로 니켈-카드뮴 형태가 있다. 이는 납-산 형태의 전지와 비슷하게 작동하지만 화학성분이 다르다. 양극에 수산화니켈, 음극에 카드뮴, 전해액에 수산화칼륨 용액을 사용한다. 다른 종류의 충전전지보다 더 가볍고 용접 밀폐할 수 있다는 특징 때문에 여러 종류의 무선기기나 휴대용 장치에 쓰인다. 니켈-철 전지는 에디슨 전지로도 알려져 있으며, 니켈-카드뮴 전지와는 음극에 철을 사용한 것이 다르고, 주로 유럽의 광산에서 많이 이용되고 있다.

3번째 중요한 충전전지로 은-아연 형태가 있다. 음극은 구멍이 많은 아연판, 양극은 산화은을 바른 은막, 전해액은 수산화아연이 포화된 수산화칼륨 용액으로 되어 있다. 은-아연 전지는 구조상 전극이 분리되어 있기 때문에 한정된 횟수로만 충전과 방전을 할 수 있다. 그러나 무게당 에너지 비가 크기 때문에 가벼운 무게가 중요시되는 기구에 알맞다.

축전지

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목차

1차전지

2차전지