전지(電池)란?

 간단하게, 전지(Battery)는 내부 활(活)물질의 화학에너지(chemical energy)를 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지로 변환하는 기기이다. "전지(電池)"라는 용어는 두개 이상의 전기 화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(single cell)에도 사용한다.
전지는 전기화학 반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져나갈 수 있도록 특별한 내부 구조로 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기에너지의 원천이 되어 우리에게 필요한 전기를 제공한다.

구성 요소

 전지는 전해질과 전해질에 담겨져 있는 양극과 음극이라는 활 물질 그리고 분리 막으로 구성되며 다음과 같다.
① 양 극 : 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극
② 음 극 : 음극 활 물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극
③ 전해질 : 활 물질의 환원 반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질 이동이
   일어나는 매개체 (媒介體)
④ 분리막 : 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하기 위한 격리 판

전지원리

  전지의 음극은 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이며, 양극은 전자를 받아 (양이온과 함께) 자신은 환원되는 물질이다. 전지가 외부 load와 연결되어 방전 반응을 진행할 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지로 변환한다. 이때 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 load를 경유하여 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원반응을 일으키며, 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 음이온과 양이온의 물질이동에 의해 전해질 내에서 완성된다. 전지를 사용함에 따라 전지의 전압은 계속 낮아지고 결국 외부 load를 작동시킬 수 없을 때까지 반응을 한다.

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전지의 역사

 정보시대가 개막되는데 결정적인 역할을 하고 있는 것이 바로 전지다. 장난감에서부터 첨단제품에 이르기까지 모든 휴대형 전자제품에는 전지가 필요하다. 하지만 전지는 사용시간에 한계가 있다. 휴대폰이나 노트북 PC, 휴대형 카세트 등 휴대형 제품을 사용하다가 전지가 떨어져 낭패를 보거나 사용을 중지하고 가방 속에 집어넣어야만 했던 경험이 누구에게나 한번쯤은 있을 것이다. 그렇다고 전지를 바리바리 싸가지고 다니면서 쓸 수도 없는 일이다. 휴대하기 편하도록 가볍고 부피도 작으면서 오래 사용할 수 있는 전지를 개발하기 위한 노력이 끊임없이 이어지고 있는 것은 바로 이런 이유에서다.

 전지의 역사는 상당히 길다. 역사상으로는 1800년 개발된 볼타전지가 최초의 전지인 것으로 알려지고 있다. 그러나 2천여년 전의 한 유적지에서 항아리에 톱밥 및 황산 등을 층층이 넣은 만든 항아리전지가 발견되고 있다. 인류가 전지를 사용하기 시작한 것은 최소한 2천여년 전의 일인 것이다.

 요즈음 사용하는 전지 가운데 가장 오래된 전지는 양극활물질로 이산화망간(MnO₂)을 사용하고 음극재료로 아연(Zn)을 쓰고 전해액으로 NH₄Cl과 ZnCl₂를 혼합한 중성염수용액을 사용한 망간전지다. 이 전지는 1868년 개발돼 1880년에 상용화된 것으로 이후 외장재질 및 봉합방법이나 양음극 활물질의 개선을 통해 현재까지 사용되고 있는데 소비전력이 적은 용도에서 가격대비 사용시간 특성이 우수해 현재도 1차전지 생산량의 60%가량을 차지하고 있을 정도로 널리 사용되고 있다.
 지난 47년 양극활물질과 음극활물질은 망간전지의 것을 그대로 사용하면서 전해액을 약산성에서 강알칼리성(KOH)으로 바꿔 이온(Ion) 전도도(傳導度)를 증가시킨 전지가 개발됐는데 이것이 바로 요즘에 사용하고 있는 알칼리 건전지이다.

 이는 공칭(公稱)전압이 1.5V로 망간전지와 호환이 가능하면서 에너지밀도는 망간전지보다 리터(ℓ)당 1백20Wh가 높은 3백20Wh/ℓ로 사용시간이 망간전지보다 3배나 길며 방전특성도 우수해 망간전지를 급속히 대체해 나가고 있다.

 카메라용으로 주로 사용되고 있는 리튬 1차 전지는 지난 60년 미국 항공우주국(NASA)을 중심으로 우주개발용 전원으로 연구가 시작된 제품으로 음극활물질로는 리튬(Li)을 공통으로 사용하나 양극활물질로는 플루오르화 흑연이나 이산화망간 등 다양한 물질을 사용하고 있고 전해질도 유기전해질 및 고체전해질을 두루 사용, 상당히 많은 종류의 제품이 상품화돼 나오고 있다.

 재충전이 가능한 2차전지 가운데 현재 가장 널리 사용되고 있는 전지는 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지. 1901년 에디슨이 발명한 니켈-철-축전지를 개선한 융그너의 니켈-카드뮴전지가 효시로 1948년 밀폐형 니켈카드뮴 축전지로 개선돼 현재까지 사용되고 있다.

 그러나 니켈카드뮴전지는 5백회 이상의 재충전이 가능하고 신뢰성이 좋은 반면 완전히 방전시키지 않고 충전을 하면 용량이 줄어드는 메모리효과가 치명적인 단점이 되고 있으며 음극재료로 사용한 카드뮴이 인체에 유해한 공해물질이라 환경문제로 점차 니켈수소(Ni-MH)전지 및 리튬이온(Li-Ion) 전지 등 최근 상품화된 차세대 전지로 대체되기 시작했다.

 니켈수소전지는 니켈카드뮴전지보다 용량이 2배 이상 높고 급속 충전이 가능하며 메모리효과를 크게 줄인 제품이고, 리튬이온전지는 공칭 전압이 3.6V로 높고 에너지 밀도가 니켈카드뮴전지에 비해 체적당 2배, 중량당 약 1.5배 높다.

 이들 제품은 같은 에너지를 축적할 경우 체적면에서 3분의 2, 무게는 2분의 1 정도를 줄일 수 있는 등 휴대형 전자제품의 소형, 경량화에 유리해 향후 2차전지 시장에서 주종으로 발전할 가능성이 가장 높은 것으로 보인다.

 현재 세계 2차전지 시장에서는 소니, 산요, 도시바, 마쓰시타 등의 일본업체들이 니켈카드뮴, 니켈수소, 리튬이온전지로 대별되는 소형 2차 전지 시장의 70% 가량을 장악하고 있으며, 특히 최근 각광받고 있는 리튬이온전지 시장에서는 거의 독주하고 있는 실정이다.

 이처럼 리튬이온전지가 세계시장에서 큰 성공을 거두자 당초에는 안전성을 문제로 상품화를 미뤄왔던 미국이나 유럽의 전지업체들도 리튬이온전지 상품화에 열을 올리고 있어 리튬이온전지를 둘러싼 세계 전지업체들간「전지전쟁」이 벌어질 것이라는 예상도 나오고 있다.

 국내 업체들의 첨단 전지 상품화 노력도 최근 들어 급진전되고 있다.
 휴대형 전자제품의 성능 및 무게, 가격 등에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 전지의 첨단화가 가속되고 있는 가운데 리튬이온전지나 리튬이온폴리머전지 등 최첨단의 고성능 전지의 국산화시대도 머지 않은 것 같다.

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전지개발의 역사

전지의 종류

  일반적으로 두 가지 전지 형태가 있다. 1차와 2차로 불리는데, 1차 전지들은 재충전 할 수 없고 오직 한번만 사용 가능하다. 모든 전력을 잃어버리면 폐기된다. 전지 안의 활물질(活物質)들이 다 사용되고 더 이상 전기를 생산할 수 없게 된다. 전지의 이러한 형태는 예를 들어 표준 1.5V 알카 라인 전지로 가장 잘 알려져 있다.

 반면, 2차 또는 재충전 가능한 전지는 한번 이상 사용 가능하다. 이 형태의 전지가 Flat 하게 되고 내부 활물질이 1차 전지처럼 더 이상 전기를 생산하지 못하더라도 1차 전지와는 달리, 2차 전지 안의 활물질은 원래의 상태로 돌아갈 수 있다. 이것은 재충전 즉, 전지 내부로 전기를 다시 공급함으로써 이루어 질 수 있다. 이 형태의 전지에는 Nickel-Cadmium(Ni-CD) 과 Nickel-Metal- Hydride (Ni-MH), Lithium Ion(Li-Ion)전지 등이 있다.

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전지의 분류

화학전지의 분류