2차전지 전에 '전지'부터 알아보자 -1

2차 전지에 대한 관심이 뜨겁다. 도대체 무엇이길래 산업계에서, 주식판에서, 뉴스에서 꾸준히 언급이 되는 걸까. 전지면 전지이지 2차전지는 무엇이란 말인가? 그럼 3차전지도 있을까? 이런 궁금증이 꼬리를 물다 보니 '전지'가 무엇인지부터 찾아보게 되었다. 

전지란 무엇일까? 

전지란?

 

 

전지의 정의 

전지(cell/battery, 電池)란, 한국민족문화대백과에 의하면 물리 또는 화학반응으로 전위차를 발생시켜 전기 에너지를 공급하는 전기장치이다. 두산백과에서는 물질의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여, 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변화하는 소형장치라고 정의하고 있다. 

 

이런 백과사전의 정의보다 밍그라빠라는 블로거의 전지의 어원이 더 쉽게 와닿아서 옮겨보았다.

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전지(電池)란 이름은 '전기의 연못'이란 의미를 지니고 있다. 연못에서 물을 퍼서 사용하듯이 전지에서 전기를 퍼서 사용할 수 있는 것이 전지이다. 전지를 영어로는 배터리(Battery)라고 부른다. 배터리는 battle과 동일한 어원을 지니고 있다. 고대 프랑스어인 batterie로부터 왔는데 '때리다(hitting)'이란 의미를 지니고 있다. 양극(+)과 음극(-)의 전위차로 인하여 전기가 발생하는 것이 마치 두 대상이 서로 때리면서 무언가 발생하는 것을 연상시키고 있다. 야구의 투수와 포수를 일컬어 배터리라고 부르는 것도 마치 두 극과 같이 투수와 포수 사이에 공이 왔다 갔다 하는 것을 연상하여 붙여진 것이다. 이렇듯, 전지란 두 극(양극과 음극) 간의 전위차에 의해서 전기를 뽑아 쓸 수 있도록 만들어진 장치를 말한다. 

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전지는 원리에 따라 크게 물리전지와 화학전지로 구분하며, 아직 연구단계이기는 하지만 생물전지도 한 종류로 구분되기도 한다. 그러나 건전지, 노트북 배터리, 휴대폰 배터리, 자동차 배터리 등 우리가 일상생활에서 사용하는 대부분이 화학전지라 보편적으로 '전지'라 하면 화학전지를 의미한다. 

 

 

전지의 원리

화학전지는 재료의 화학적 에너지를 산화, 환원이라는 전기화학적인 반응을 통해 전기적 에너지로 변환시키는 장치로, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다.  이를 쉽게 이해하기 위해 교육부 공식 블로그의 '화학 전지의 원리'편을 참고하여 원리를 정리해 보았다. 

◆ 화학전기의 발견과 볼타전지의 작동 원리

1780년대 루이지 갈바니는 개구리를 해부하다 개구리 다리가 금속으로 된 해부칼에 닿자 경련이 일어나는 것을 관찰하고 이를 전기가 개구리의 신경 속에 숨겨져 있다고 생각하여 '동물 전기'라고 이름 붙였다. 하지만 알렉산드로 볼타는 이에 의문을 품었고, 종류가 다른 두 금속이 접촉하면 전기가 발생한다는 사실을 발견했다. 금속은 전자를 내놓고 양이온이 되려는 성질을 가지고 있는데(이온화경향) 그 정도는 아래 표와 같이 종류마다 다르다.

금속

K 칼륨

Na 나트륨

Li 리튬

Sr 스트론튬

Ca 칼슘

Mg 마그네슘

Al 알루미늄

Zn 아연

Cr 카드뮴

Co 코발트

Ni 니켈

Sn 주석

Pb 납

Cu 구리

Hg 수은

Ag 은

Pt 백금

Au 금

반응성

물과 반응함

산과 반응함

산화력 매우 강한 물질과만 반응

←반응성 큼                                                                                           반응성 작음→

 

인류 최초의 전지인 볼타 전지는 이러한 금속들의 반응성 차이를 이용한 것으로, 그 원리는 서로 다른 두 종류의 금속을 전자가 이동하면서 반응을 일으킬 수 있는 용액에 담가두면 화학반응이 일어나 반응성이 큰 금속에서 작은 금속으로 전자가 이동하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 

볼타 전지와 볼타 전지의 원리 (출처 : 교육부 공식 블로그)

 

이 원리를 쉽게 구현한 것이 과일전지이다. 과일에 도선을 연결한 아연판과 구리판을 꽂고 여기에 전구를 연결하면 불이 들어오는 것을 볼 수 있다. 

 

 

◆ 전지의 성능과 수명

전지의 성능의 중요한 두 가지 요소는 전압과 용량이다. 먼저 전류를 흐르게 하는 힘, 즉 전압(V)은 전위차가 클수록 세진다. 쉽게 말해 이온화 경향이 큰 금속과 작은 금속을  조합하여 전압을 조절할 수 있다. 전지의 용량은 전지가 저장할 수 있는 전자의 양을 뜻하며, 단위는 Ah(암페어아워)로 1Ah는 1A(암페어)의 전류로 1시간동안 사용할 수 있는 것을 의미한다. 

 한편, 과일전지가 일정 시간이 지나면 더 이상 전구를 밝힐 수 없게 되는 것처럼 일반 건전지도 마찬가지로 일정 시간동안 전지의 용량만큼 전자를 소모하면 수명이 다해 더 이상 사용할 수 없다. 이는 반응할 수 있는 화학물질이 거의 다 소모되었거나 전해질이 고갈되었기 때문이다.  

이렇게 1회만 사용할 수 있는 전지를 1차전지라 하고, 이를 극복하여 '충전'이라는 개념을 도입, 재사용이 가능한 전지를 2차전지라고 한다. 

 

마무리

2차 전지를 시작하기 전 전지의 정의와 원리에 대해 알아보았다. 다음편에서는 전지를 구분하여 정리하고 각각의 개념을 알아볼 예정이다. 

 

※ 출처

1. 한국민족문학대백과 - 전지 (https://encykorea.aks.ac.kr/Article/E0068978)

2. 두산백과 - 전지 (https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1139845&cid=40942&categoryId=32241)

3. 밍그라빠 블로그 - 전지의 구분 (https://m.blog.naver.com/ioyou64/130088706383)

4. 대한민국 교육부 공식 블로그 - 화학 전지의 원리 (https://if-blog.tistory.com/5879)

5. 삼성SDI column - 배터리 용어의 모든 것을 알아보자~! (https://www.samsungsdi.co.kr/column/technology/detail/56402.html?listType=gallery)