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1차전지
1차전지(一次電池, primary cell)는 한번 방전해 버리면 충전해서 재사용 할 수 없는 전지이다. 즉 방전한 뒤 충전으로 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학반응을 하는 전지이다. 대표적 1차전지에는 망가니즈건전지가 있으며 최근에는 알카라인전지가 많이 쓰인다. 보통 1.5V 정도의 전압을 내지만, 수십 V의 전압에 이르는 것도 있다.
개요
전지는 전자의 산화환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 1차전지는 방전한 후 충전이 불가능한 일회용전지로 보통 건전지라고 한다. 1차전지에는 많은 종류가 있으나, 기본적으로 양극과 음극 그리고 전해질로 구성되어 있다. 음극은 이온화경향이 큰 금속을 사용하여 전자를 내어 놓는 산화반응이 일어나며, 양극은 이온화경향이 작은 금속을 사용하여 전자를 얻어 환원반응이 일어난다. 가장 널리 쓰이는 망가니즈전지에서 일어나는 산화반응과 환원반응은 다음과 같다.
아래에서 이산화망가니즈 MnO2는 양극에서 발생한 수소 기체 H2가 수소 이온 H+로 산화되어 기전력을 떨어뜨리는 것을 방지하기 위한 감극제 역할을 한다.
(-)극: Zn → Zn2+ + 2e-
Zn2+ + 4NH3 → Zn(NH3)42+
(+)극: 2H+ + 2e- → H2
H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O
대표적 1차전지인 망가니즈전지는 르클랑셰전지를 건전지화한 것이다. 아연통을 용기겸 음극으로 하며, 양극합제(陽極合劑)로 이산화망가니즈와 전기전도성의 탄소 가루(아세틸렌블랙, 흑연), 염화암모늄 가루의 3가지를 전해액(염화암모늄·염화아연이 주성분임)으로 굳혀 형성시킨 것이다. 그 중심에 탄소막대가 있다. 탄소막대와 덮개 사이에는 세퍼레이터와 전해액에 콘스타치와 밀가루를 섞어 겔화한 전해액층이 사이에 끼어 있다. 기전력은 1.5V 정도이며, 가장 보편적인 전지로서 시계나 장난감에 널리 쓰인다.
알칼리망가니즈건전지는 망가니즈건전지의 중성전해질 대신에 가성알칼리인 수산화칼륨 용액을 이용한다. 양극으로는 이산화망가니즈와 흑연의 혼합체를 음극으로 아연을 사용한다. 망가니즈건전지보다 이산화망가니즈와 아연을 다량으로 넣어 성능이 좋고 수명이 길어서 연속적으로 큰 전류를 필요로 하는 헤드폰 스테레오나 카메라 스트로브에 많이 사용된다.
리튬전지는 금속 리튬을 음극활물질로 사용하고 비수전해액을 사용하여 3V 이상의 고전압이 가능하다. 소형이며 고에너지 밀도의 전지로서 저온 특성 및 장기 보존 성능이 우수한 전지이다. 사용하는 양극활물질의 종류, 전해질, 전극 및 전지형태에 따라 몇 종류로 구분되며 각각 작동전압, 사용 한계전류, 에너지 밀도, 동작온도, 보관수명, 안전성 등의 특성이 다르게 나타난다. 사용하는 양극활물질에 따라 Li/SOCl2, Li/SO2, Li/MnO2, Li/(CF)n 전지 등으로 나뉘어진다.
양극활물질로 이산화망가니즈를 사용한 코인형리튬전지는 전자수첩, IC카드, 완구, 계측기 등과 같이 안정된 성능과 저출력이 요구되는 전자기기에 사용된다. 양극활물질로 SO2를 사용한 전지는 주로 군수용으로 사용되고 있다.
리튬전지는 용도에 따라 원통형, 핀형, 페이퍼형, 각형과 같이 여러 형상으로 만들 수 있어 사용범위가 넓다. 원통형리튬전지는 컴퓨터의 메모리 백업(기억유지기능)용, 휴대폰 등 고출력이 요구되는 전자기기 전원으로 많이 사용되고 있으며 5~10년간 사용이 가능하다. 핀형리튬전지는 야간 낚시용 전기찌의 전원으로 사용되며, 페이퍼형리튬전지는 얇은 메모리 카드나 IC 카드 등에 사용된다.
이밖에도 망가니즈건전지의 음극을 아연 대신 마그네슘으로 한 마그네슘건전지가 있다. 양극에 산화은을 사용한 산화은전지는 전압이 상당히 안정되어 있는 것이 특징이며, 수명이 다하는 직전까지 일정한 전압을 유지하기 때문에 카메라의 노출계, 수정시계와 같은 정밀전자기기에 많이 사용된다. 하지만 산화은전지는 가격이 비싸다는 단점이 있어 그에 비해 경제성이 뛰어난 알칼리버튼전지가 폭넓게 사용되고 있다.
공기아연 전지는 양극에 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 전지 내 음극에 다량의 아연을 채울 수가 있어 적은 크기로 대용량을 낼 수가 있어서 보청기나 포켓 벨 등에 사용되고 있다. 양극에 산화수은을 사용하는 수은전지는 사용 중 전압이 1.35V로 거의 일정하며 자체방전이 적어 제조 후 1년이 지나도 용량이 감소하지 않는 장점이 있다. 또한 소형으로 전기용량이 큰 것을 만들 수 있으며 고온에서도 사용이 가능하다. 최근에는 꾸준한 연구개발로 유해한 중금속으로 지목되어온 수은과 카드뮴이 사용되지 않은 환경친화적인 무수은전지, 무카드뮴전지가 생산되고 있다.
전지를 안전하게 사용하기 위해서는 전지를 장착할 때 양극과 음극을 확인하여 역접속이 되지 않도록 주의해야 하며, 종류가 다른 전지는 같이 사용하지 않는 것이 좋다. 전해질용액이 샐 염려가 있으므로 전지 표면의 비닐을 벗기거나 흠집을 내어서는 안되며, 전해질용액이 눈에 들어가면 바로 물로 씻어 낸다. 다 쓴 후에는 전지를 불 속에 넣지 않도록 하며, 전지에 적혀 있는 지시에 따라 여러 가지 주의를 하면서 버려야 한다.
참고자료
- 〈1차전지〉, 《두산백과》
같이 보기
