아연 탄소 건전지

아연 탄소 전지(zinc-carbon cell)는 산화 전극인 아연과 이산화 망가니즈(MnO₂)로 덮여 있는 흑연을 환원 전극으로 사용한 전지를 뜻하며 르클량셰 전지(Leclanché cell)로도 불린다. 대표적인 1차전지로 손전등, 휴대용 전자 제품 등에 널리 쓰인다.

개요

아연 탄소 전지는 아연-망가니즈 건전지라고도 부른다. 음극은 아연으로 이루어져 있고, 양극은 이산화망가니즈와 탄소 막대로 이루어져 있다. 일반적으로 사용하는 건전지이다. 전해액으로 염화아연 수용액과 염화암모늄 수용액을 사용하고 전지 용기로 아연 관을 사용한다. 알라카인 전지보다 가격이 저렴하고 간헐방전 조건에서 수명이 길다. 전해액의 성분 차이로 인해 주로 소모 전류가 적으면서 오랜 시간 사용하는 탁상시계, 라디오, 리모컨, 벽시계, 카세트 등에 사용된다.

역사

1800 년대 후반에 전해액은 액체 상태였다. 이로 인해 배터리를 운반하기가 어려웠다. 1866년에 르클랑셰(Georges Leclanché)는 아연 양극, 이산화망가니즈 음극 및 염화 암모늄 용액을 전해질로 사용하여 배터리를 발명했다. 전해질은 여전히 액체이지만, 전체 화학은 오늘날의 건전지의 발명에 중요한 단계로 밝혀졌다.

염화 암모늄에서 전해질 페이스트를 만드는 방법을 알아 낸 사람은 카를 카스너(Carl Gassner)이다. 1886년 독일에서 르클랑셰 전지를 개량하여 새로운 "건전지"배터리를 발표했다.

일반적으로 "아연 탄소 전지"라고 불리는 이 새로운 건전지는 1950년대 후반까지 대량 생산되었다. 그때 탄소는 화학 반응에 관여하지 않지만 아연 탄소 전지에서 전기 전도체로 작용한다.

전기 화학 반응

아연 탄소 전지에서 일어나는 전기 화학 반응은 아래와 같다.

산화 전극 : Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻

환원 전극 : 2Mn0₂(s) + 2NH₄⁺(aq) + 2e⁻ → Mn₂0₃(s) + 2NH₃(aq) + H₂0(/)

전체 반응 : Zn(s) + 2MnO₂(s) + 2NH₄⁺ (aq) → Zn²⁺(aq) + Mn₂O₃(s) + 2NH₃(aq) +H₂0(/)

아연 탄소 전지는 초기에 약 1.5 V의 전압을 발생시킨다.

그러나 시간이 지남에 따라 전지의 전압이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

그 원인으로는 먼저 산화 전극에서 아연의 부식 과정이 일어나는 수가 있고, 환원 전극에서는 물이 생겨남에 따라 전지 내에 있는 반응물과 전해질의 농도가 낮아지기 때문이다.

이러한 현상을 완화하기 위해서 아연 전극에 수은이 들어 있는 염(salt)을 넣어주면 아말감(amalgam)을 형성하여 부식을 방지할 수 있으나 지금은 수은의 유독성 문제로 사용하지 않는다.

다른 방법으로 전해질에 염화 아연(ZnCl₂)을 첨가하면 다음 반응에 의해 물이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

4Zn²⁺ + ZnClv + 8OH⁻ + H₂O → ZnCl₂·4ZnO·5H₂O

그래서 실제 아연 탄소 전지에서는 염화 암모늄과 염화 아연의 혼합물을 전해질로 사용한다.

참고자료

• 〈아연 탄소 전지〉, 《화학백과》
• 〈아연·탄소 전지(zinc-carbon cell)〉, 《사이언스올》
• WinPow, 〈아연 탄소 전지의 역사〉, Huizhou WinPow, 2019-05-15

같이 보기

• 건전지
• 1차전지

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