건전지의 원리

[강가이버]

전기화학반응을 이용한 기술들은 산업현장에서 널리 쓰이고 있다. 그 중 대표적인 것으로 우리 생활에서 자주 볼 수 있는 것이 전지이다. 특히 건전지의 경우 일상 생활에서 자주 사용하게 되는데, 건전지에는 어떤 원리가 담겨있는 것일까? 전지(battery)는 내부에 들어있는 물질의 화학에너지(chemical energy)를 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 장치이다. 이 중 건전지는 초기 볼타전지(Voltaic cell)의 전해질이 액체이기 때문에 생기는 불편한 점을 없애고자 유동성이 없는 수용성 전해질을 넣어서 만든 것을 말한다.

건전지의 유래

우리가 현재 사용하는 전지의 원조는 1800년경 이탈리아 파두아 대학의 자연철학교수인 알레산드로 볼타가 처음 만들었다. 이 장치는 은판과 아연판 사이에 소금물이나 알칼리 용액으로 적신 천 조각을 끼운 것을 여러 쌍 겹쳐 쌓은 것이었다. 이 때 가장 위에 있는 은판과 밑바닥의 아연판을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다. 최초의 근대식 전지는 1868년 프랑스의 르클랑쉬가 만든 망간전지다. 망간산화물과 아연을 (＋)극과 (－)극으로 사용했다. 처음에는 전해질을 용액 그대로 사용했기 때문에 습전지(Wet Cell)라고 했으나 나중에는 전해질을 굳혀 마른 전지(Dry Cell)라고 불렀다. ‘건전지’는 여기에서 유래했다.

기본적인 전지 구조.

건전지의 구성과 화학반응

우리가 일반적으로 말하는 건전지는 망간건전지이다. 망간건전지의 겉모양은 원통 모양 또는 사각기둥 모양이며, 바깥쪽은 아연으로 된 (－)극 원통으로 용기를 겸하고 있다. 중앙에 탄소막대 (＋)극이 있으며, (＋)극 위를 싸고 있는 금속은 아연이 아닌 부식이 잘 되지 않는 특수금속으로 만들어진다. 또한 탄소막대 주위에는 이산화망간과 흑연을 섞어 반죽한 것을 고압에서 압착시킨 것으로 채워져 있으며 그 바깥쪽은 전해질(염화암모늄)을 충분히 흡수시킨 종이로 싸여있고 위쪽에는 공기실과 피치 등으로 구성되어있다. 정리하면, 건전지는 아연통(－)극과 탄소막대(＋)극 사이에 전해질로 염화암모늄 용액이 채우고 있는 구조물이다.

건전지의 내부구조.

 

건전지에서 (＋)극은 이온화 경향 성이 작아 전자를 얻는(환원 반응) 탄소를 사용하고 (-)극은 이온화 경향성이 커서 전자를 잃는(산화 반응) 아연을 사용한다. 이 건전지의 두 극을 외부에서 도선으로 연결하면 아연(Zn)은 아연이온(Zn^2＋)이 되어 전해질 속에 녹고 아연통에는 전자를 남겨 아연통은 (－)극이 된다. 이 때 전해질 속의 염화암모늄은 전리해서 암모늄 이온(NH4⁺)과 염화이온(Cl^-)이 된다.

전해질 속의 암모늄 이온은 녹아 나온 아연이온에 의해 밀려나 탄소막대 쪽으로 모이게 되고, 탄소막대에서 전자를 얻어 암모니아(NH₃)와 수소(H₂)로 분해된다.

따라서 탄소막대는 전자가 부족하므로 (＋)극이 된다. 이렇게 하여 건전지의 외부에서 두 극을 도선으로 연결하면 전위가 높은 (＋)극에서 전위가 낮은 (－)극으로 전류가 흐르게 되는 것이다. 이 때, 일반적인 산화·환원 반응과 달리 산화되는 물질과 환원되는 물질 사이에 직접 전자를 주고받으면 전류의 흐름이 형성되지 않기 때문에 도선을 통하여서만 반응이 일어나도록 하기 위해 (＋)극과 (－)극이 직접 접촉하지 않도록 구조가 되어 있으며 화학 반응시 완전 제거하지 못하는 가스를 저장할 공기실과 발생하는 물로 인해 전해질이 흘러내리지 않도록 피치로 막고 있다.

감극제(소극제)와 분극

탄소막대의 주위에서 발생한 수소는 그대로 두면 탄소전극 주변을 둘러싸서 전지의 능률이 떨어진다. 그 때문에 수소를 없애야 하는 물질이 필요한데 이러한 물질을 감극제(소극제)라고 한다.

감극제

(＋)극에서 2NH4⁺ + 2e^- → 2NH₃ + H2↑ 반응이 일어날 때 발생하는 수소기체를 물로 만들어 없애는 역할을 하는 물질. 즉 여기서는 이산화망간을 말함.

이때 발생하는 암모니아기체는 아연-암모니아 착물 이온을 형성하여 암모니아 기체의 생성을 막아준다.

분극

(＋)극에서 수소기체가 발생하여 탄소막대에서 암모늄이온이 전자를 받기가 어렵게 되어 전류의 흐름이 잘되지 못하면서 전압이 약해지는 현상.

건전지의 자연방전

건전지는 사용하지 않을 경우라도 전지 속에서 전해질과 아연판 사이에서 약간의 산화반응이 일어나며 (+)극 부근에 있는 수소이온이 주변의 전자와 반응해서 수소가스가 된다. 그리고 그 수소가스가 이산화망간과 화합해서 삼산화이망간(Mn₂O₃)과 물(H₂O)이 되는데 이런 반응이 계속 진행되면서 건전지는 점점 약해진다. 그래서 건전지는 권장 사용기한이 있으며, 따라서 구매 시에는 최근에 제조한 것을 사는 것이 좋다.

전지의 종류

전지는 내부에 들어있는 물질의 화학에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. <출처: NGD>

건전지는 크게 1차전지와 2차전지로 구분된다. 우리가 흔히 건전지라고 부르는 것은 1차전지를 말한다. 1차전지는 다시 사용할 수 없는 것이며 망간 건전지, 알카리 전지, 산화은 전지, 수은-아연 전지, 망간-리튬 전지가 있고 2차전지는 납축전지, 니켈-카드뮴전지, 니켈-아연전지, 리튬-산화망간 전지, 리튬-산화코발트 전지, 리튬-고분자 전지(lithium-polymer cell)등이 있는데 1차전지인 알칼리 건전지에서는 아연이 일단 아연 이온으로 산화되고 나면 그것이 다시 금속아연으로 환원되는 반응은 일어나지 않는다. 반면에, 2차전지인 축전지에서는 다 쓴 전지에 역방향의 전류를 걸어 주면 전류를 만들어낼 때 일어났던 산화-환원 반응의 역반응이 일어나 전지의 내용물을 원래대로 돌려놓는다. 예를 들어 자동차에 사용하고 있는 납 축전지는 과산화납을 (+)극으로 금속 납을 (－)극으로, 황산을 전해질로 사용하는 데 납 축전지의 회로를 통해 과산화납과 금속 납이 모두 황산납으로 바뀌는 산화-환원 반응이 일어나면서 전류가 발생한다..

반면 자동차가 달릴 때는 엔진이 발전기를 돌려 생긴 전류를 납 축전지에 보내 전자와 반대의 산화-환원반응을 일으킴으로써 황산납을 원래의 과산화납과 금속 납으로 바꾸어 놓는다. 이와 같이 축전지가 '재충전 '되는 것은 방전과정의 반대과정을 거쳐서 이루어진다. 납축전지는 주로 자동차의 전기장치, 잠수함의 전력으로 사용되고, 특히 리튬전지들은 핸드폰, 노트북, 전기차 등에 쓰이며 현재도 개발노력이 집중되고 있다.

참고문헌: 서촌소의, [전지의 기초], 손영대, 고한범 역, (성안당, 2000); 정철수, [전자이동의 화학], (아진, 2006); 조성희, [생활속의 화학], (형설출판사, 2001)백운기, [전기화학], (청문각, 2001); IRA N.LEVINE, Ira N. Levine, [물리화학], 나상무 역, (자유아카데미, 1998)

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1. 피치

   콜타르, 나무타르, 지방, 지방산, 지방유를 증류할 때 얻어지는 흑색이나 암갈색의 찌꺼기

2. 이온화경향

   K, Ca, Na, Mg, Zn, Cr, Fe(Ⅱ), Cd, Co, Ni, Sn, Pb, Fe(Ⅲ), H, Cu, Hg, Ag, Au의 순으로, 금속이 액체와 접촉하여 양이온이 되려는 경향

3. 재충전

   방전 때와는 반대로 축전지나 2차전지에 외부로부터 전류가 들어가게 하여 저장된 전하량를 증가시키는 것

글 조태숙 / 인천강화중학교 교사, 서울과학교사모임

서울과학교사 모임은 딱딱한 과학수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학선생님들의 모임이다. 재미있는 과학 교육을 위해 [묻고 답하는 과학 톡톡 카페1,2], [숨은 과학] 등을 출간하였다