전지는 내부에 들어있는 화학물질의 화학에너지를 전기화학적 산화-환원반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치이다.
전지는 화학 반응대신 전기 화학반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 빠져나갈 수 있도록 특별한 내부구조로
이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자흐름은 전기에너지의 원천이 되어 인간에게 유용한 일을 제공한다.
전지의 역사
그림 . 전지의 기본원리(Danial 전지)
1) 세계 최초의 전지
1932년, 독일 바그다드 동방의 호야트럽에서 점토로 굳힌 화병형상의 전지를 발굴,이 전지는 호야트럽퍼 전지
또는 바그다드 전지라고도 불리며 약 2,500년 전의 세계 최고의 전지로 추정된다. 이 전지는 작은 점토기
내측에 얇은 동(銅)통과 중앙에 철(鐵)봉을 넣은 것으로 하부와 상부를 아스팔트로 봉하고 있다. 전해액에는
와인 또는 초를 사용하고 약 0.8V의 전압이 얻어진 것으로 추정되며, 이 전지를 직렬로 접속하여 아라비아의
금, 은세공 직공이 기물에 전기도금을 하는데 사용한 것으로 추정된다.
전지의 최초 발명자는 Volta (이탈리아)로서, 묽은 황산중에 동판과 아연판을 넣고,
그 사이를 도체로 연결하여 연속해 전기를 꺼낼 수 있는 전지를 발명하였다. 이것이 현재의 화학전지의 기초가
되는 "볼타전지" 이다. 아연을 묽은 황산 (또는 식염수)에 끓이면, 아연이 - (마이너스)의
성질을 가지는 전자를 남겨 용해하고, 아연판은 -전기를 대전. 동판은 녹지 않고 + (플러스)가 됩니다. 그
두 개를 도선으로 연결하면 구리로부터 아연으로 전류가 흐게 된다.
2) 전지의 발달과정
1800 Volta
전지의 발명 (Cu/H2SO4/Zn)
1836 Danial
전지의 발명 (Cu/CuSO4/ZnSO4/Zn)
1859 연축전지의
발명 (PbO2/H2HO4/Pb)
1868 Lechlanche
전지의 발명 (MnO2/NH4Cl·ZnCl2/Zn)
1882 알카리망간
전지의 발명 (MnO2/KOH/Zn)
1883 산화은 전지의
발명 (AgO/KOH/Zn)
1889 Ni-Cd
전지(Junger전지) 발명 (NiOOH/KOH/Cd)
1889
Ni-Zn 전지 발명 (NiOOH/KOH/Zn)
1901 Ni-Fe
전지(Edison전지) 발명 (NiOOH/KOH/Fe)
1917 공기-아연
전지의 발명 (O2/KOH/Zn)
1942 수은 전지의
발명 (HgO/KOH/Zn)
1947 Ni-Cd
전지의 밀폐화에 성공 (NiOOH/KOH/Cd)
1949 알카리 망간전지의
실용화 (MnO2/KOH/Zn)
1962 밀폐형 수소전지의
발명
1970 리튬 1차전지의
실용화 (양극물질/비수전해질/Li)
1973 이산화망간-리튬전지의
발명과 실용화 (MnO2/LiClO4(유기전해액)/Li)
1981 리튬 탄소복합(이온)
2차전지의 발명
1990 밀폐형 니켈-수소축전지의
실용화 (NiOOH/KOH/MH)
1991 리튬 2차전지(LIB)의
실용화 (리튬전이금속산화물/유기전해질/탄소)
3) 최근의 전지 동향
LIB의 안전성문제와 비교적 낮은 중량 에너지밀도을 향상시키기 위해 고분자전해질을 이용한 LPB와 LPB의
변형된 형태인 LIPB, PLI와 새로운 개념의 SLPB 쪽으로 연구되고 있다.
전지의 종류
1) 전지 Tree도
2) 2차전지
전지종류
음극
양극
전해질
작동전압
에너지밀도
Lead-acid
Pb
PbO2
H2SO4
수용액
1.9
70
대부분의
자동차의 기초 전원으로 이용되고 있으며, 싼 값으로 제조 가능하고 넓은 온도
조건에서 고출력을 낼수 있다. 약 1860년경부터 실용적인 형태로 개발되었으며,
폭넓은 용도를 나타낸다. 그 크기도 다양하여 잠수함용으로부터 무선 전화기용까지
다양하다 비교적 균형 잡힌 성능을 보이나, 무겁고 에너지 저장 밀도는 높지
않다.
Ni-Cd
Cd
NiOOH
KOH 수용액
1.2
90
이미 100년 전인 1899년
발명되었으며, 철도 차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고 출력이 요구되는
다양한 산업 및 군사용도에 널리 이용되고 있다. 최근 가스발생을 제어할 수
있게 되어 밀폐식으로도 널리 생산되며, 이는 전동공구 및 휴대형 가전제품의
전원으로 이용되어 왔다. 그러나 최근 니켈 수소 및 리튬이온과 같은 고 성능
이차전지의 개발로 인하여 이용이 일부 취소되고 있다.
Ni-MH
MH
NiOOH
KOH 수용액
1.2
200
에너지 저장 밀도의 향상과 중금속
카드늄의 제거로 비교적 고가의 휴대형 전자제품에 적용되고 있다. 그러나 현재
저중량의 리튬이온 전지가 등장함에 따라 그 주 사용처인 랩탑 컴퓨터, 휴대형
전화 등에서 시장을 크게 잠식당하고 있다.
Li-ion
C
LiMnO2
Li-salt
유기용매
3.6
300
1990년대에 새로 등장하였으며,
높은 에너지 저장 밀도와 저 중량 특성에 힘입어 급속히 기존 이차전지를 대치하고
있다. 그러나 아직은 고가의 휴대형 전자 제품으로 그 용도가 크게 제한되어
있으며 안전성 면에서는 특별한 보호회로에 의존해야 하는 등 불완전한 형태이다.
성능과 안전성 개선을 위한 노력이 폭넓게 전개되고 있으며, 현재 급속히 시장을
팽창시켜가고 있다.
전지의 구조
모든 전지는 양극(정극)과 음극(부극)이라는 활물질들을 가지고 있고, 분리막(Separator)에
의해서
서로 떨어져 있으며 또한 두 전극사이의 이온 전달을 가능하게 하는 전해질에 담겨져 있다.
전등, 기계, 기구등을 작동하기 위해서는 전지의 두 전극 사이에 충분한 전압과 전류가 생성될 수
있도록 적절한 전극물질과 전해질이 선정되어 특별한 구조로 배열되어져야 한다. 전지의 4대
구성요소는 아래와 같다.
그림 . 전지의 구조
1) 양극
외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이
환원되는 전극임
구조 : 전자를 모아서 외부도선으로 보내 주는 집전체와 리튬이온의 삽입,
탈리반응을 할 수 있는 구조를 가진 활물질로 이루어져 있다.
2) 음극
음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극임
구조 : 전자를 모아서 외부도선으로 보내 주는 집전체와 리튬이온의 삽입,
탈리반응을 할 수 있는 구조를 가진 활물질로 이루어져 있다.
3) 전해질
양극의 환원,
음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질이동(리튤이온의 이동) 일어나는
매개체임
특징
: 유전율이 높으면서(리튬염이 해리가 잘됨) 점성이 낮아야(리튬이온의 전달이 용이) 한다.
전지란
