지난 포스팅에서는 배터리에 대해 자세히 알아보기 전에
필수적으로 알아야 할 용어들에 대해 정리를 해보았습니다.
그럼 이번 포스팅부터 본격적으로 배터리에 대해서 알아보도록 하겠습니다!
배터리는 가정에서 사용되는 건전지부터 노트북, 핸드폰과 같은 전자기기의 전력원으로 쓰이고 있습니다.
그리고 앞으로 대중화가 될 전기차의 핵심 부품으로써
배터리는 현재 산업뿐만 아니라 미래 산업까지 책임질 산업 중 하나입니다.
이렇듯 일상생활에서 없어서는 안될 배터리는 과연 어떠한 구조로 이루어져 있고
어떤 원리로 작동하는지 알아보도록 하겠습니다!
1. 배터리의 구조
배터리는 기본적으로 양극, 음극, 전해액(전해질), 분리막으로 이루어져 있습니다.
먼저 양극(Anode)은 배터리에서 ‘용량’가 ‘출력’을 결정하는 주 소재입니다. 양극은 양극 기재와 활물질, 도전재, 바인더로 구성됩니다. 활물질에 소량의 도전재를 넣어 전도성을 높이고, 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있도록 돕습니다. 이렇게 활물질, 도전재, 바인더를 섞은 것을 합재라고 하는데, 이 합재를 알루미늄 기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어집니다. 그리고 양극은 이온화경향이 작은 금속을 사용하여 전자를 얻어 환원반응이 일어납니다.
*활물질 : 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질
*도전재 : 금속산화물의 전도성을 높이기 위한 물질
*산화 : 전자를 잃는 반응
*환원 : 전자를 얻는 반응
음극(Cathode) 또한 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있습니다. 음극 활물질은 양극에서 나온 금속이온을 가역적으로 흡수 또는 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행합니다. 음극은 이온화경향이 큰 금속을 사용하여 전자를 내어 놓는 산화반응이 일어나도록 합니다.
전해액(전해질, Electrolyte)은 특정 금속 이온만을 이동할 수 있도록 하는 매개체입니다. 전자는 도선을 통해 이동해야 하고 이온은 전해질을 통해 이동해야 하는 것이 매우 중요합니다. 만약 전자가 도선이 아니라 전해액을 통해 이동하게 되면 전기를 사용할 수 없는 것은 물론이고, 안전성까지 위협 받게 됩니다. 전해액은 이온을 이동시키는 역할을 하기 때문에 주로 이온 전도도가 높은 물질이 사용되며 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있습니다.
*염 : 특정 금속 이온이 지나갈 수 있는 이동 통로 역할
*용매 : 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기 액체
*첨가제 : 특정 목적을 위해 소량으로 첨가된 물질
분리막(Separator)은 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 해주는 역할을 하고 있습니다. 전자가 전해질을 통해 직접 흐르지 않게 하고, 내부의 미세한 구멍을 통해 원하는 이온만 이동할 수 있게 만듭니다. 양극과 음극이 서로 맞닿게 된다면 금속 이온의 움직임이 증가하게 되면서 폭발할 위험이 있습니다. 그렇다고 양극과 음극의 분리에만 신경 쓰면 금속 이온까지 이동이 안되어 배터리의 효율성이 떨어지게 됩니다. 따라서 양극과 음극이 서로 닿지 않으면서 금속 이온만 잘 지나다니도록 하는 것이 분리막의 핵심 기술이라고 할 수 있습니다.
이렇게 배터리의 구조에 대해 알아보았는데 정리하자면
양극과 음극은 배터리의 기본 성능을 결정하고
전해질과 분리막은 배터리의 안전성을 결정짓는 구성요소라고 할 수 있습니다.
2. 배터리의 작동 원리
배터리는 양극재와 음극재의 산화 환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 원리로 작동합니다. 음극은 이온화 경향이 큰 금속을 사용하는데, 음극에서 금속이 양이온으로 변하게 되면서 전자를 방출하는 산화 반응이 일어나게 됩니다. 이때 방출된 전자는 도선을 통해 양극으로 이동을 하면서 전기를 발생시키고, 양극으로 흘러들어온 전자는 양이온과 환원 반응을 일으켜 에너지를 방출하게 됩니다. 이렇듯 전자가 도선을 따라 음극과 양극 사이를 오갈 때, 전기가 발생하게 됩니다.
정리하면,
1. 음극 : 산화반응(전자 잃음)
2. 전자 양극으로 이동(전기 발생!)
3. 양극 : 양이온과 환원 반응(전자 얻음)
위의 그림을 보면 충전, 방전이라는 단어가 있습니다. 이번 포스팅에서 다룬 배터리 작동 원리는 방전만 다루었습니다. 충전은 방전의 역과정이라고 생각하면 되는데, 모든 배터리에서 충전 과정이 포함되어 있는 것은 아니기 때문에(2차 전지에서 나와요!) 이번 포스팅에서는 설명하지 않았습니다. 아마 배터리를 1차 전지, 2차 전지로 분류한 후에 설명하게 될 것 같습니다.
이번 포스팅에서는 배터리의 기본 구조와 작동 원리에 대해서 소개해봤습니다.
지금 쓰고 있는 노트북이 잘 작동할 수 있는 것은 배터리가 열심히 산화 환원 반응을 하면서
전기에너지를 발생시키기 때문이었습니다.
그리고 배터리 내부의 분리막과 전해질이 배터리가 과열되지 않도록
이온과 전자들을 올바르게 이동시키고 있다는 것을 알 수 있었습니다.
다음 포스팅에서는 1차 전지, 2차 전지에 대해 소개할 예정입니다!
사실은 빨리 2차 전지에 대해 자세히 알아보고 싶은데
기초적인 원리나 지식도 잘 익히고 싶은 욕심에 자꾸 늦어지게 되네요..ㅜ
틈틈이 준비하고 꾸준히 포스팅해서
얼른 2차 전지에 대해 알아보는 시간이 왔으면 좋겠습니다!
(4학년이라...가능할지..그래도 화이팅!!!!!!!!!!)
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