1. 전지의 작동원리
1) 양극과 음극의 정의
전지란? 전류를 공급하는 장치
일반적으로 전자부품은 양극은 anode, 음극은 cathode 이지만, 전지는 양극이 cathode, 음극이 anode이다.
-cathode : 전류가 나가는 전극, 양극(+)
-anode : 전류가 들어오는 전극, 음극(-)
전지반응 : 음극의 산화 반응과 양극의 환원 반응이 합쳐진 반응
*방전(discharge) : 음극(산화 반응) - 도선을 통하여 전자를 방출하면서 전지가 늙어간다.
*충전(charge) : 음극(환원 반응) - 도선을 통하여 전자를 흡수하면서 다시 젊어지게 된다.
2) 전지의 정의와 4대 구성 요소
전지의 정의 : 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치
전지의 4대 구성 요소 : 음극(anode), 양극(cathode), 분리막, 전해질
(1) 음극
전자를 공급하는 전극, 연료전극
자유전자가 풍부한 물질인 금속 사용( Zn, Pb, Cd, Li 사용)
Zn : 아연, 건전지
Pb : 납, 납축 전지
Cd : 카드뮴, 니카드 전지
Li : 리튬, 1차 전지
→ 음극은 전지 성격을 결정, 음극이 바뀌면 새로운 전지가 됨
+) 리튬 이온 전지: 음극이 리튬이 아니라 흑연인 것이 특징
연료 전지 : 음극에 연료인 수소를 직접 공급(수소 전기차)
(2) 양극
음극에서 전자와 이온을 받아 전지 반응을 완성하는 전극
- 세라믹(산화물, 황화물)을 양극 소재로 사용
보청기와 같은 아연-공기는 양극이 공기 전극이다.
+) 공기전극? 금속망에 활성탄과 촉매를 코팅한 전극
부피가 작기 때문에 고용량이다.
연료전지도 공기전극 사용!
(3) 분리막
양극과 음극의 접촉을 막아 전기화학 반응을 유도한다.
왜? 양극과 음극이 접촉하면 에너지가 열로 전환되고 전기를 생산하지 못한다.
전기화학 반응이란?
전자는 도선을 통하여 이동하고, 이온은 전해액을 통하여 이동하는 일련의 반응
분리막으로는 주로 부직포나 폴리머 필름을 사용하는데, 이온이 통과할 수 있는 기공을 형성해야한다.
분리막은 쇼트를 막는 역할을 하므로 안전성에 중요하다.
- 하드 쇼트 : 양극과 음극의 물리적 접촉 (실질적인 접촉이 있을 때 발생)
- 소프트 쇼트 : 양극과 음극의 전기 흐름 (실질적인 접촉은 없지만, 약간의 전기 흐름이 발생)
(4) 전해액
정의: 이온 이동의 매개체 - 황산 수용액, 알칼리 수용액, 유기용매 사용
KOH 알칼리 수용액 : 이온 전도도가 가장 높은 전해액으로 니카드전지, 니켈 수소 전지 등에 사용된다.
* 이온 전도도 = 1/Ω = S
실제 이온전도도는 1~10 정도
유기용매: 주로 리튬 이온 전지에 사용되고 이온 전도도가 낮아 분리막을 얇게 해야한다.
이온전도도는 10^-3 정도
고체 전지: 전해질이 고체
양극, 음극, 분리막은 기공이 50% 정도를 차지하는 다공성 구조로 전해액이 기공을 연속적으로 채우고 있다.
* 전해액 채널: 인체의 혈관에 해당하는 중요한 구조로 이를 통해 전지 반응이 일어난다.
연속적으로 형성된 전해액 채널이 끊어지면 활물질이 고립되어 용량이 감소한다. →전해액 채널을 균일하게 해야한다.
- 자유전해액: 전해액 채널을 형성하지 않는 전해액으로 안전성에 악영향을 미친다.
- Flood type 전지 : 자유 전해액이 많은 형태의 전지
(5) 집전체
4대 구성요소는 아니지만 전지를 구성하는 요소 중 하나
음극과 양극은 집전체를 코팅한 형식이다.
각각의 집전체는 외부 도선과 연결되어 전자가 이동하는 전자의 통로(electron path)를 형성한다.
2. 전지의 종류
1) 1차전지와 2차 전지 구분
1차 전지: 캔 속의 에너지를 다 사용하면 버리는 전지 (primary, disposable 전지라고도 함)
2차 전지: 충전으로 재사용이 가능한 전지 (secondary, rechargable 전지라고도 함)
(1) 1차 전지 발달 과정
건전기 -> 알카리-망간 전지 -> 리튬 전지
건전지의 양극집전체((+)극 탄소막대)는 phorous 해야한다.
알카리 - 망간 전지(=알카리 전지) : 전해액이 KOH수용액이다. CMC라는 겔링 에이전트를 넣어 겔화시킨 것
리튬 전지 : 음극에 리튬을 사용 : 수분과 접촉하면 안된다. 전압: 3V
(2) 2차 전지
- 휴대 전자기기용 : 스마트폰, 노트북 등에 사용
- 차량용 : 전기차, 자동차용 납축전지
ESS (Energy Storage System)
고전적으로는 발전소에서 사용했으며, 최근에는 신재생에너지(태양광, 풍력)에서 사용된다.
단주기 ESS
장주기 ESS : 태양광 독립형 - 낮에 에너지 생산하고, 저장해서 밤에 사용
예시: 2011년 후쿠시마 원전 사고 때 전기 공급이 가장 큰 문제였음.
ESS box를 개발해서 전기를 만들어냄