전기화학-배터리

배터리

배터리는 부식반응을 응용한 것이다. 용도에 맞게 다양한 물질로 배터리를 만들 수 있으며, 배터리를 이용하여 갈바닉전지의 전기적 일을 이용할 수 있다.

 

배터리는 1차와 2차로 분류된다. 1차 전지는 알칼리전지로, 화학반응이 끝나면 사용할 수가 없다. 배터리의 수명이 반응물의 양에 달려있기 때문이다. 따라서 크기가 큰 D-전지는 AA-전지보다 수명이 길다. 배터리는 수명이 다 되면 출력되는 전압이 낮아지고, 결국은 반응물이 소모되면서 전지의 수명은 끝난다.

 

2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있다. 충전가능한 배터리를 만들기 위해서는, 산화환원의 역반응이 가능해야 한다. 전지의 반응은 발열반응이기 때문에 에너지 공급이 가능하다. 역반응은 흡열반응이다. 역반응을 일으키기 위해서는 외부에너지가 필요하다. 이때 배터리 충전기가 사용된다. 배터리의 반응이 가역적이면, 배터리는 쉽게 충전될 수 있다.

 

1차 전지

오늘날 흔히 사용되는 1차 전지는 알칼리전지이다. 알칼리전지는 손전등, 장난감, 라디오 등에 많이 사용된다.

 

알칼리전지의 경우, 양극 전극으로 아연이 사용되며, 산화 반반응은 다음과 같다.

Zn(s) + 2OH^-(aq) → Zn(OH)₂(s) + 2e^-

음극은 산화망간(Ⅳ)이며, 반반응은

2MnO₂(s) + H₂O(l) + 2e^- → Mn₂O₃(s) + 2OH^-

두 반반응을 합하면, 알칼리건전지의 알짜반응식을 구할 수 있다.

Zn(s) + 2MnO₂(s) + H₂O(l) → Zn(OH)₂(s) + Mn₂O₃(s)

 

전해질로 사용되는 KOH는 수용액이 아닌 페이스트나 겔의 형태인데, 이 때문에 건전지라는 용어가 생겨났다. 음극의 MnO₂는 흑연을 혼합시켜 전도성을 높였다. 양극은 아연가루가 포함된 페이스트이다. (아연가루는 표면적이 높기 대문에 효율을 높인다) 산화반응에서 발생된 전자는 주석이 코팅된 황동조각에 수집되는데, 황동조각을 배터리 케이스의 바닥과 연결되어 있다.

 

의료기구에 사용되는 1차 전지는 매우 작다. 작지만 오래 유지되어야 하는데, 리튬 배터리가 이에 적합하다.

Li(s) → Li⁺ + e^-

여기서도, 음극은 산화망간(Ⅳ)이다. 이 경우 MnO₂는 리튬 이온과 반응한다.

MnO₂(s) + Li⁺ + e^- → LiMnO₂

여기서 망간(Ⅳ)은 망간(Ⅲ)으로 환원된다. 총 전지반응은

Li(s) + MnO₂(s) → LiMnO₂(s)

전해질은 유기용매에 용해된 리튬염이며, 폴리프로필렌 분리막을 통과하여 확산될 수 있다. 이 전지는 단추형태로 작지만 오랫동안 안정된 전류와 전압을 공급할 수 있다는 것이다.

 

또 다른 전지로 아연-공기 배터리가 있다. 이것은 통신기기나 보청기에 사용된다. 양극에서는 아연의 산화반응이 일어난다.

Zn(s) + 2OH^-(aq) → Zn(OH)₂(s) + 2e^-

음극에서는, 공기 중의 산소와 환원된다.

0.5O2(g) + H₂O(l) +2e^- → 2OH^-

 

2차 전지

충전식 배터리인 니켈수소전지가 알칼라전지를 대체하여 많이 사용되고 있다. 음극 반응을 식으로 나타내면

NiO(OH)(s) + H₂O(l) + e^- → Ni(OH)₂(s) + OH^-(aq)

양극 반응은

MH(s) + OH^-(aq) → M + H₂O(l) + e^-

여기서 M은 금속이나 금속합금을 상징한다.

 

자동차의 납축전지도 같은 기술을 사용한다. 양극반응은

Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e-

음극반응은

PbO2(s) + 3H+(aq) + HSO₄^-(aq) + 2e^- → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

여기서 전해질은 황산이다. 고농도의 산성조건에서 SO₄^2-이 HSO₄^-로 바뀐다. 때문에 납산축전지로 불리기도 한다.

 

위의 전지는 약 2.0V의 전압을 발생한다. 12V의 자동차 배터리를 얻으려면 여섯 개의 전지를 연결한다. PbSO₄ 생성물은 전극표면에 붙어 있으며, 이 때문에 배터리의 충전이 가능하다. (차량발전기에서 전류를 흘려보내 배터리를 충전한다) 배터리의 역반응에는 방전된 전압보다 더 높은 전압이 필요하다. 시간이 오래되면 배터리는 기계적 쇼크를 받아 PbSO₄가 전극에서 떨어져 나간다. 결국 배터리는 더 이상 충전되지 않는다.

 

휴대폰이나 음악플레이어, 랩탑컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기의 사용이 많아질수록 다양한 배터리가 개발되고 있다. 아래 표는 배터리의 특징과 용도에 대해 요약한 것이다.

 

<표> 1차 전지와 축전기의 특징

1차 배터리
속성	아연-공기전지	알칼리전지	리튬전지
에너지 밀도	높음	보통	높음
에너지 축적	높음	보통	보통
비용	낮음	낮음	높음
안정성	높음	높음	보통
환경	높음	높음	보통

충전식 배터리
속성	납산축전지	니켈수소전지	리튬이온전지
에너지 밀도	낮음	보통	높음
에너지 축적	보통	보통	보통
수명	높음	높음	높음
비용	낮음	보통	높음
안정성	높음	높음	보통
환경	낮음	보통	보통

 

연료전지

연료전지는 볼타전지로, 반응물의 공급과 생성물의 제거가 계속 이루어진다. 배터리처럼, 화학반응을 통해 전기에너지를 만든다. 그러나 배터리와는 다르게 연료가 계속 바뀐다. 일반적인 연료전지는 수소와 산소가 물을 만드는 반응에 근거한 것이다. 수소 기체가 양극으로 흘러가고, 산소 기체는 음극으로 흘러간다. 전극은 주로 다공성 탄소로, 백금 촉매와 함께 사용된다. 음극에서는 산소가 환원된다.

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

양극에서는 수소가 환원된다.

H₂ → 2H⁺ + 2e^-

 

다른 볼타전지처럼, 두 개의 반반응은 물리적으로 분리되어 있다. 전자들은 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 흐른다. 반면 양성자는 (두 전극 구획을 분리하는) 양성자교환막을 통과한다.

 

총 전지반응은 다음과 같다.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

이 반응은 상당한 양의 에너지를 방출하며, 반응물과 생성물이 주위에 널려 있는 물질이라는 것이 장점이다. 또한 대체연료인 메탄올과 메탄을 사용하는 연료전지가 연구되고 있다.

 

배터리의 한계

배터리의 성능이 나빠지는 가장 큰 이유는 부식이다. 배터리가 부식되면, 전지에서 액체가 흘러나온다. 제조사들은 배터리의 부식에 의해 성능이 감소되는 것을 막기 위해 어떤 시도를 하고 있을까? 그 하나가, 배터리 부품을 전기분해로 피복하는 것이다.