1차전지와 2차전지의 원리

일차전지 (primary cell)

 

1차전지는 2차전지와 달리 한번 사용하면 전기적 재충전이 불가능하여 버리는 전지이다.

일반적으로 비가역적인 전기화학반응이 진행되며 대표적으로 볼타 전지가 있다.

  

두개의 서로 다른금속, 예를들면 아연전극과 구리전극을 묽은 황산 전해액에 담그고 연결하면 전위차가 발생한다. 이때 용액에 녹아들어간 아연은 양이온이 되므로 아연전극은 음전하를 띄게 된다. 또한 수소이온이 음극이 된 아연과 반발하여 구리전극에 모여 전자를 받아 수소기체가 되어 날아가고, 이는 구리전극을 양전하를 띠게 만든다. 

이러한 과정을 통해 아연전극에서 구리전극으로 전자가 이동하게되고, 전류는 구리전극에서 아연전극으로 흐르게 된다. 그러나 화학반응이 모두 끝나게 되면, 전지는 수명을 다하며 쓸모없게 된다. 즉 화학에너지를 전기에너지로 변환은 가능하지만 전기에너지를 화학에너지로 바꾸지는 못한다. 

또한 볼타전지에는 치명적인 단점이 있는데, 바로 분극현상이라는 것이다. 분극 현상이란 수소 기포가 수소이온이 구리판으로 접근하는 것을 방해하는 현상이다. 이 현상을 없애기 위해 감극제(강한 산화제인 이산화망간, 과산화수소, 과망간산칼륨 등)을 넣어서 수소기체를 산화시켜주어야하는 번거로움이 있다. 이후 두 극판을 각각 분리된 전해액에 넣고 염다리로만 연결시킨 형태의 다니엘 전지가 분극현상을 해결하기위해 고안되었다.

 

 이차전지 (secondary cell)

 

2차전지는 반복적인 충방전이 가능한 에너지 저장장치이며 화학적 에너지를 전기적 에너지 변환하거나로 반대의 과정도 가능한 전지를 말한다. 여러종류의 이차전지가 있으나 에너지 밀도가 높은 리튬 이온배터리가 가장 널리 쓰이고 있다. 

 

 

리튬이온전지의 구조는 다음과 같이 구성되어있다. 

 

Anode (양극) : 주로 Al이 사용된다.

Cathode (음극) : 주로 Cu가 사용된다.

Active material (활물질) : 양극활물질은 코발트, 니켈, 망간 및 티타늄 등의 산화물에 리튬이온이 도핑된 전이금속산화물을 주로 사용한다. 금속 종류별로 Ni(니켈)은 고용량 특성, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, Al(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 한다. 음극활물질은 탄소기반물질을 주로 사용한다. 

 

Separator(분리막) : 다공성 고분자 필름으로 만들다. 두 금속판의 전기적 접촉을 막으면서 리튬이온은 통과시키는 역할을 한다. 양극과 음극이 접촉하면 화학 반응으로 열이 발생하면서 발화될 수 있다.

Electrolyte(전해질) : 이온 전도의 매개체로 수소 이온이나 리튬 이온이 이동하는 매질 역할을 한다. 

 

충전

충전과정에서, 양극활물질(LiCoO2)이 산화되고 전자를 만들어낸다. 이 전자가 음극으로 이동하고 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 음극으로 이동, 음극활물질에 Li-C 상태로 결정구조 사이에 축척된다. 이때 충전기의 전위차 만큼 충전된다.

 

방전

충전과정의 역과정으로 전위차에 의해 음극활물질층(카본구조)에 저장되어 있던 리튬이온이 음극에서 양극으로 전해질을 통해 이동한다. 양극활물질의 LiCoO2상태로 다시 축적된다.