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전지의 발명과 진화 上

 

경일대학교 신재생에너지학부 박진남 교수

 

 

현대인의 삶에 배터리가 없다는 것은 상상도 할 수 없습니다. 다양한 리모컨, 스마트폰, 심지어는 자동차에도 배터리가 사용되고 있으니까요. 이처럼 배터리는 우리의 생활과 밀접하게 연관되어 있는 발명품인데요.

 

과연 배터리를 처음 만든 이는 누구일까요? 고대 페르시안 시대의 유물에서 발견된 점토 항아리가 전지로 사용됐다고 추정하는 연구도 있습니다만, 공식적으로 확인된 최초의 전지는 바로 1800년, 이탈리아의 알렉산드로 볼타가 발명한 볼타 전지입니다. 볼타가 발명한 전지는 아연판과 은판을 겹쳐서, 그 사이에 양잿물을 적신 종이를 끼운 후 양쪽 판에 전선을 연결해 만들어졌는데요. 일정한 전압과 전류를 안정적으로 공급할 수 있었습니다.

 

최초의 전지를 만든 인물, 볼타(Alessandro Volta (1745-1827)) ⓒshutterstock

 

이후에 볼타 전지는 더욱 개량되어서, 아연판과 구리판을 사용하고 물 대신 묽은 황산을 추가하여 한 층의 전지에서 0.76 V의 전압을 얻을 수 있을 정도로 진화했죠. 물론 볼타 전지 이전에도 마찰전기를 이용하여 전기 실험을 하였으나 이는 정전기를 저장하는 수준이어서 안정적인 사용이 어려웠습니다.

 

볼타 전지의 원리는 다음과 같습니다. 아연이 2가 아연으로 녹으면서 전자를 내놓고, 수용액 중의 수소이온이 전자를 받아서 수소 기체가 되는 전기화학반응이 일어나는 식이죠.

 

 

산화극(-): Zn → Zn2+ + 2e- (-0.76 V)

환원극(+): 2H+ + 2e- → H2↑ (+0.00 V)

 

 

볼타 전지는 습식 전지(wet-cell battery)라고도 불렸는데요. 이름처럼 수용액에 적신 천을 사용했기 때문입니다. 물론 이러한 구조 때문에 불편함이 많았습니다.

 

 

망간 건전지의 작동 원리 ⓒshutterstock

 

이 불편사항을 개선하기 위해 건전지(dry-cell battery)가 연구됐는데요. 프랑스의 과학자인 조지 르클랑쉬가 1868년에 현재까지도 널리 사용되는 망간 건전지를 발명했습니다. 망간 전지의 구조는 다음과 같습니다. 아연으로 원통을 만들고 한가운데에 탄소봉을 위치시킵니다. 그리고 탄소봉과 아연 원통 사이에 이산화망간과 염화암모늄 수용액 그리고 탄소가루를 섞어서 반죽한 것을 채우는 거죠. 그러면 탄소봉이 (+) 극, 아연 원통이 (–) 극으로 작용하게 됩니다.

 

망간 전지에서는 아연이 2가 아연으로 녹으면서 전자를 내놓고, +4가인 망간이 전자를 받아서 +3가인 망간이 되는 전기화학반응이 일어납니다. 이로 인해 발생하는 전압은 1.50V입니다.

 

 

산화극(-): Zn → Zn2+ + 2e- (-0.76 V)

환원극(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2e- → Mn2O3 + 2NH3 + H2O (+0.74 V)

 


망간 전지는 값싸고 사용이 편리해 널리 애용됐습니다. 하지만 휴대용 기기가 많이 사용되면서 더 긴 수명의 건전지가 필요하게 됐죠. 이런 문제의 해결책으로 현재 널리 사용되고 있는 알칼라인 전지가 발명됐습니다.

 

알칼라인 전지의 원리는 이미 1899년에 발견됐습니다. 하지만 지금처럼 실용적인 알칼라인 전지는 캐나다의 공학자인 루이스 어리에 의해 1950년대에 발명됐습니다.

 

 

 

알칼라인 전지의 구조는 다음과 같습니다. 우선 철과 같은 금속판으로 원통을 만들고 한가운데에 금속봉을 위치시킨 다음, 금속봉 주변을 아연 가루와 알칼라인 용액인 수산화칼륨 수용액을 반죽한 것으로 채우는 식인데요. 아연 반죽과 금속 원통 사이에는 이산화망간과 탄소가루를 물로 반죽한 물질로 메꿨습니다. 그러면 금속 원통이 (+) 극, 금속봉이 (–) 극으로 작용하게 됩니다.

 

알칼라인 전지에서는 망간 전지와 유사한 형태의 전기화학반응이 일어나며, 발생하는 전압은 1.43V입니다. 하지만 사용되는 전해질이 달라서 망간 전지보다 훨씬 긴 수명을 가집니다.

 

산화극(-): Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e- (-1.28 V)

환원극(+): 2MnO2 + H2O + 2e- → Mn2O3 + 2OH- (+0.15 V)

 

 

앞에서 소개한 전지들은 모두 딱 한 번만 사용할 수 있었습니다. 이러한 전지를 1차 전지(primary battery)라고 부릅니다. 알칼라인 전지보다 더 긴 수명을 가지는 차세대 전지로 과연 무엇이 개발될지 궁금해집니다.

 

휴대전화에 사용하는 배터리가 대표적인 2차 전지입니다. ⓒshutterstock

 

다음 시간에는 충전하여 재사용이 가능한 2차 전지(secondary battery)의 발명과 진화에 대해 알아보겠습니다.

 

 

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