배터리(cell)란 무엇인가?
배터리란 건전지 축전지 라고 불리우며, 셀(cell)또는 파워 셀(power cell)등으로도 빌린다. 실제로는 여러 개의 셀이 모여서 하나의 배터리를 구성한다. 배터리는 크게 4개의 구성요소로 이루어져 있으며, 양극재,음극재,전해액,분리막으로 구성되어 있다.
배터리의 역할
배터리의 역할은 기계장치의 동작에 필요한 전류를 공급하여 기계장치의 원할한 작동을 도와주는 것이다. 주로 사용되는 곳은 전자제품, 가전제품, 전화기, 자동차. 비행기 등 전기가 들어가는 모든 기계장치에 사용된다. 배터리에는 화학 전지가 하나 이상 포함되어 있으며, 화학 전지에서는 화학반응이 침지 되어 있는 2개의 터미널 사이에 전위차를 생성 한다.
배터리는 크게 두가지로 나뉘어 지는데 화학전지와 전해전지로 나눌 수 있다. 장난감이나 휴대용 전기 장치에서 많이 쓰는 AA나 AAA 배터리 같은 화학전지는 전기를 생산하는 역할이 주요 임무이다. 반면에 전해전지는 외부 전원으로부터 전력을 공급받아서 전기분해 촉진하며, 이로 인해 배터리 내부의 화합물이 그 구성 성분으로 분해 되며 전기를 소모하게 된다.
배터리의 작동 원리
배터리의 기본원리를 설명하기 위해 현대사회에서 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리로 설명을 하도록 하겠다. 리튬이온배터리는 이차전지이다. 리튬이온배터리는 충전과 방전시에 리튬이온이 흐르는 배터리이다. 리튬이온 전지가 충전이 될 시에는 리튬이온( Li⁺)이 양극에서 빠져나와 음극으로 흘러간다. 자연히 양극에 전자가 축적되어서 음극으로 흐른다.
리튬이온전지가 방전될 때는 음극에서 리튬이온이 양극으로 움직인다. 방전이 될 때는 음극이 산화되면, 음극의 리튬양이온( Li⁺) 탈출하여서 양극으로 간다. 음극에는 전자가 축적되고 자연히 전류가 양극으로 흐른다. 리튬이온의 중요한 구성과 구성물질은 다음과 같다.
리튬이온의 구성성분
양극(cathode)은 플러스 극이라고 불리는 부분이다. 리튬계열의 산화물이 주요 재료로 쓰인다. 현재 까지 가장 많이 쓰이는 것은 리튬코발트산화물 (lithium cobalt oxide)이다. 리튬이온의 제조비용 중 가장 큰 비중(40%)을 차지하는 소재이다. 음극(anode)은 마이너스극이라고 불리는 부분이며, 탄소, 실리콘, 흑연 등이 주요 재료로 사용되고, 현재 가장 많이 사용된 것은 흑연이다.
분리막(separator)은 양극와 음극의 물질을 분리하는 역할을 한다. 리튬이온을 통과시켜야하기 때문에 전부다 막혀있진 않고 미세하게 구멍이 뚫려있다. 다공성 폴리에틸렌 (PE) 과 폴리프로필렌(PP) 필름이 주요 재료로 쓰인다. 분리막은 안전을 위하여 중요한 물질이다. 분리막에 문제가 생길 경우 화재나 폭발이 생기는 경우가 많다. 양극과 음극이 분리되지 못하고 섞여서 화학반응을 일으키는 것이 원인이다. 전해질(electrolyte)은 전해질또는 전해액이라 불리운다. 배터리의 충전과 방전시에 전자가 잘 통과할 수 있게 도와준다.
배터리의 종류
배터리의 종류는 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 일회용 배터리는 일명 1차전지라고 부르는 배터리이며, 우리가 흔히 마트에서 사서 쓰는 건전지를 말한다. 재충전해서 사용은 불가능하며 한번 방전될 때까지 쓰고 나면 더 이상 쓸 수 없는 것이 특징이다.
충전식 배터리는 보통 2차 전지라고 부르는 배터리이다. AAA 또는 AA 타입의 충전식 배터리는 충전기 형태에 꽂아서 충전 후에 다시 새것처럼 사용될 수 있으며, 또한 자동차에 설치된 2차 전지는 매번 충전소에서 충전 후에 다시 사용이 가능하다. 충전횟수에 제한은 있지만 수백번은 충전해도 사용하는데는 크게 무리가 없다. 다만 효율이 떨어질 뿐이다.
연료전지란 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통하여 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 변환장치를 말한다. 위의 2차전지와는 다르게 연료가 공급되는 한 재충전할 필요 없이 계속해서 전기를 생산하여 사용할 수 있는 전지이다. 연료는 주로 수소가 사용된다.