배터리란(1차전지, 2차전지)?

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학 흥. 재. 과입니다!

 

환경 문제에 대한 높은 관심과 다양한 전자제품에 사용되는 배터리는

21세기 들어 가장 촉망받는 과학 산업 중 하나입니다!

 

글로벌 배터리 시장 업계에서 한국의 점유율은 약 30%를 상회할 정도로

뛰어난 기술력과 큰 규모를 자랑하고 있습니다.
(LG에너지솔루션, 삼성 SDI, SK온)

 

사실 배터리(전지)는 무려 200년 전에 개발된 전기 저장 장치인 사실!

1800년대 이탈리아의 과학자 알렉산드로 볼타는

구리와 아연을 이용하여 전기를 생산하는 볼타 전지를 개발하였습니다!

이것이 최초의 상용 전기화학 전지였죠ㅎㅎ

 

이러한 배터리는 크게 1차 전지와 2차 전지로 나뉘는데요!

오늘은 배터리의 간단한 정의와 동작 원리에 대해 알아보겠습니다!

 

1차전지- 알칼라인 건전지

 

배터리

 

1. 1차 전지란(Primary Battery)?

1차 전지는 일회용 전지라고도 부릅니다.

말 그대로 한번 사용 후에는 재 충전/사용이 불가능한 전지이죠.

즉, 방전만이 가능한 전지이고 내부 화학물질들이 소진되면 끝입니다.

 

흔히 일상생활에서 많이 쓰는 건전지류(리모컨, 시계, 도어록, 손전등)는 

전부 1차 전지에 해당하며 초창기 MP3모델도 건전지를 이용하여 작동시켰었죠.

초등학생 때 추억이네요ㅎㅎ

 

그렇기에 1차 전지는 환경적인 측면에서 좋지 않습니다!

재활용도 할 수 없고 폐기를 해야 하기 때문이죠.

만약 1차 전지에 충전을 한다면 내부 화학반응으로 인하여

폭발할 수도 있으니 충전은 금물입니다!

 

2차전지

 

2. 2차 전지란(Secondary Battery)?

 

재충전 배터리(Rechargeable Battery)라고도 불리는 2차 전지는

전기를 충전-방전하며 2회 이상 사용할 수 있는 배터리를 말합니다.

 

최근 수요가 급등하고 Issue가 리튬이온배터리부터

수소 연료전지, 납축전지 등 다양한 종류의 2차 전지가 있습니다!

 

1차 전지에 비해 폐기물 발생량이 적고,

특히 전기 자동차의 경우 석유에서 나오는

대기 오염 물질의 발생량이 없기 때문에 환경 친화적인 특성을 가졌습니다.

 

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3. 배터리 작동의 기본 원리

모든 배터리는 기본적으로 화학에너지를 전기에너지로 변환한다는

동일한 메커니즘을 가지고 있습니다!

 

원자를 이루고 있는 원자핵과 전자가 이온화되어 

원자핵은 양전하(+)가 되고 전자는 음전하(-)가 되고,

전자가 이동하여 전류가 흐르는 것이죠.

 

※ 참고

전자의 이동방향 : (-) → (+)

전류의 이동방향 : (+) → (-)

 

이렇게 이온화된 원자를 물에 넣으면 수용액상태가 되는데

여기에 전기를 가하면 이온들은 자신과 반대 성향의 전극으로 달라붙게 됩니다!

이때 전하를 띤 입자의 흐름인 전류가 발생하게 되는 것이죠!

 

전자의 이동(아연 → 구리)

 

4. 산화-환원 반응

배터리 내부에는 끊임없는 산화-환원 반응이 일어나고 있습니다.

산화는 전자(-)를 잃는 반응이며, 양이온(Positive Ion)이 되는 것이고

환원은 전자(-)를 얻는 반응이며, 음이온(Negative Ion)이 되는 것입니다.

 

여기서 반응성이 큰 순서대로 이온화(산화)가 되는 경향이 큰데요.

 

※ 반응성이 큰 금속 정렬(왼쪽부터)

K> Ca> Na> Mg> Al> Zn> Fe> Ni> Sn> Pb> H> Cu> Hg> Ag> Pt> Au

두 금속 간의 반응성의 차이가 클수록 전류가 강하게 흐르고 높은 전압을 띠게 됩니다.

 

볼타전지를 예로 들어보겠습니다.

볼타전지는 기본적으로 묽은 황산(H2SO4)을 수용액으로 사용하는 전지입니다.

여기에 아연(Zn) 판과 구리(Cu) 판을 넣습니다.

아연은 구리보다 반응성이 크기에 전자를 잃고(산화) 양이온이 되고,

그 전자들이 도선을 타고 구리판으로 이동하게 됩니다.

→ 전자의 이동 = 전류 생성

여기서 구리는 전자를 얻어(환원) 음이온이 됩니다!

 

이러한 반응성의 차이가 클수록 전류가 강하게 흐르고 높은 전압을 띠게 됩니다!

이렇게 전자의 이동에 의한 반응을 산화-환원 반응이라고 합니다!

 

오늘은 배터리에 관한 정의와 메커니즘에 대해 알아보았습니다!

이상 흥. 재. 과. 였습니다!