[e돋보기] 배터리

[양태훈기자] 배터리(축전지, Storage Battery)란, 두 가지의 전극(양극와 음극)을 전해액(양극의 환원반응, 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질이동이 일어나는 매체)에 잠기게 해 전극의 활물질과 전해액이 갖는 화학에너지를 전기에너지로 변환, 외부회로에서 전기적 에너지를 발생시킬 수 있는 것을 말한다.

구체적으로 음극(음극활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극)의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 도선을 경유해 양극(외부 도선으로부터 전자를 받아 양극활물질이 환원되는 전극)에 이르면 양극물질과 환원반응을 일으키고, 이때 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로 전하가 흘러 전기에너지가 발생한다.

배터리는 전기에너지를 발생하면, 전압이 계속 낮아지고 이는 외부에서 전하를 이동시킬 수 없을 때까지 이어진다. 이때 폐기하는 전지를 '1차 전지'라 하고, 거꾸로 다시 전하를 흘려 사용이 가능한 전지를 '2차 전지'라 부른다.

최초의 배터리는 기원전 150년께 메소포타미아에서 '구리-철' 배터리를 사용한 것이 기원이다. 구리통 안에 식염수와 철로 만들어진 막대기를 넣으면 약하지만 전압(0.8볼트)이 발생, 여러 개의 구리통끼리 연결해 하나의 전선을 만들 수 있었다.

1800년께는 이탈리아의 물리학자 볼타가 '아연-구리'를 이용한 화학반응으로, 오늘날 사용하는 건전지의 원형인 '볼타전지'를 개발하는데 성공한다.

이후 1867년 프랑스 물리학자 르클랑셰가 양극에 이산화망간, 음극에 아연, 전해액으로 염화암모늄 수용액을 사용한 '르클랑셰전지'를 개발한다. 이는 볼타전지보다 장시간 사용할 수 있는 장점을 갖췄지만, 액체를 사용해 무겁고 운반이 어렵다는 단점이 있었다.

1887년에는 독일의 과학자 가스너와 덴마크의 과학자 헬센스가 새지 않고 안전하게 휴대할 수 있는 최초의 실용배터리를 발명한다.

이는 아연캔을 용기로 사용, 그 안에 염화암모늄전해액과 석고분말, 이산화망간분말, 탄소분말을 넣고 가운데에 전류를 전달하는 탄소봉을 넣는 방식으로 제작됐다.

이후 배터리는 알칼리배터리, 산화은배터리 등으로 발전, 1990년대에 이르러 망간배터리, 알칼리배터리에 필요한 수은을 없앤 리튬 2차 전지가 발명된다.

리튬 2차 전지는 전지 속에서 이동하는 이온이 리튬 양이온인 배터리를 말한다. 대표적으로 음극은 흑연을, 양극은 리튬코발트산화물을 전극물질로 사용한다. 흑연으로 구성된 음극에서 전자가 나와 전해질을 통해 코발트산화물로 구성된 양극으로 흡수되면, 약 3.7볼트의 전압을 형성할 수 있다.

현재 스마트폰, 태블릿PC, 노트북, 전기자동차 등 대부분의 기기에서 리튬 2차 전지가 활발히 사용되고 있다.