전지는 크게 화학전지, 물리전지, 생물전지 등으로 구분되는데 우리가 흔히 전지라고 부르는 것은 거의 모두가 화학전지에 속한다. 태양전지는 대표적인 물리전지로 빛을 받으면 전자를 방출하는 반도체를 이용해 빛을 전기 에너지로 변환한다. 생물전지는 효소나 미생물 등의 생물화학 반응을 이용한 전지로 발생하는 전류의 양이 미약하기 때문에 주로 생물의 전기화학적 반응을 측정하는 센서로 활용한다. 반면 화학전지는 전지 내에서 안정적이고 효율적으로 화학적 반응이 일어나도록 하고 이를 전기에너지로 변환해 활용할 수 있도록 한 것이다.
태양전지는 빛을 받으면 전자를 방출하는 반도체를 이용하며 최근에는 모바일용 제품도 선보이고 있다.
여기서 화학적 반응이란 산화환원반응(oxidation-reduction reaction)을 의미한다. 산화환원반응은 이온화 경향(ionization tendency)이 서로 다른 두 금속을 전해질(electrolyte) 속에 담갔을 때 서로 전자를 잃거나 얻어서 산화 또는 환원되는 화학반응을 말한다. 이 과정에서 어떤 원자나 이온이 전자를 잃게되면 산화되었다고 하고, 반대로 다른 금속에서 잃어버린 전자를 얻는 쪽은 환원되었다고 한다. 이와 같은 산화와 환원 반응은 항상 동시에 일어나게 되며, 이 때 두 금속을 도선으로 연결하면 전자가 이동하며 전류가 흐르게 되는데 이것이 바로 전지의 기본원리이다. 참고로 이온화 경향이란 어떤 분자나 원자가 전자를 내어놓고 양이온이 되려는 성질을 말하는데, 보통은 금속이 전해질 속에서 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향을 뜻한다. 이온화경향은 금속 원소의 종류와 전해질의 종류나 농도에 따라 달라진다.
전지는 전해질 속에 놓인 양극과 음극 사이의 산화환원반응 과정에서 생기는 전자의 흐름을 이용한다.
전지는 이러한 산환환원반응에서 발생하는 전자를 외부 도선과 연결해 흐를 수 있도록 한 것으로, 이온화 경향이 커서 전자를 도선으로 내어주고 산화되는 쪽을 음극이라 하고 반대로 외부 도선으로부터 전자를 얻어서 환원되는 쪽을 양극이라고 한다. 즉, 전자를 쉽게 주는 쪽이 전지의 -극으로 사용되고, 전자를 얻는 쪽이 +극이 되는 것이다. 우리가 흔히 건전지라고 부르는 망간전지나 알카리 전지에서 음극 재료로 오랫동안 아연(Zn)이 사용되고 있는 것도 아연이 값이 싸면서도 이온화 경향이 크기 때문이다. 반면 양극 재료로는 일반적으로 환원 반응이 잘 일어나도록 하기 위해 이산화망간과 같은 산화물을 주로 사용한다.
참고 전극의 양극과 음극 표기방법 전지에서 +극이라고 불리는 양극은 우리말로 정극이라고도 표현하며 영문으로는 positive electrode 또는 cathode라고 표기한다. 반대로 -극인 음극은 부극, negative electrode, anode 등으로 표기한다. 그런데 anode와 cathode는 분야에 따라 정반대의 의미를 갖게된다. 즉, 전지에서는 cathode가 양극, anode가 음극이지만, 부식이나 도금 과정에서는 반대로 cathode가 음극, anode가 양극의 뜻으로 사용된다. 상당히 혼동스러울 수 있지만 두 극중에서 산화반응이 일어나는 쪽을 애노드(anode), 환원반응이 진행되는 극을 캐소드(cathode)로 이해하면 된다. 물론 전지의 경우는 방전시를 기준으로 한다.
전지는 기본적인 구조는 분리막(separator)으로 서로 떨어진 양극(cathode , positive electrode)과 음극(anode, negative electrode)이 전해질(electrolyte)속에 담겨져 있는 형태로 되어 있다. 분리막은 양극과 음극이 직접 닿지 않도록 격리시키는 역할을 한다. 물론 이러한 전지의 구성 요소들은 용도나 목적에 맞게 제작된 케이스나 절연체에 담겨 있는데, 이렇게 구성된 하나의 전지 셀을 단위 전지(single cell)라고 한다. 보통 전지라고 하면 이러한 단위 전지를 두 개 이상 연결해 놓은 집합체를 의미하기지만 단위 전지를 포함해 모두 전지라고 부르는 것이 일반적이다.
전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된다.
앞서도 설명했듯 음극에서 산화반응을 통해 방출된 전자는 전지 외부에 연결된 도선을 통해 전지를 필요로 하는 휴대용 기기를 통해 양극으로 도달한 후 환원반응을 일으킨다. 이 때 전지 내부, 좀 더 정확히 말하면 전해질 속에서는 양이온과 음이온이 이동하며 계속해서 산화환원반응이 일어나도록 한다. 이 과정에서 양극에서 음극 방향으로는 음(-)이온이 반대로 양극에서 음극 쪽으로는 양(+) 이온이 이동하게 되며 이러한 과정을 통해 전지에서 전류가 흘러나오는 것을 방전이라고 한다.
방전 과정을 통해 계속되던 전하의 흐름은 더 이상 산화환원반응이 일어나지 않게 되는 시점에서 멈추게 된다. 이때 전지의 수명이 끝나 더 이상 사용할 수 없는 경우는 1차 전지, 반대로 충전이라는 과정을 통해 재사용이 가능한 전지를 2차 전지라고 한다. 충전은 방전과는 반대로 외부전원을 통해 전자를 반대로 흐르게 해줌으로써 양극과 음극이 가지고 있던 원래의 화학적 상태로 복원시켜주는 것을 말한다.
김달훈
자료제공:pcBee(http://www.pcbee.co.kr)
