배터리 충전 및 배터리 방전

이 주제, 즉 배터리 충전 및 방전에 대해 자세히 살펴보기 전에, 우선 산화와 환원이 무엇인지 이해해 보겠습니다. 왜냐하면, 배터리는 산화와 환원 반응으로 인해 방전되거나 충전되기 때문입니다.
산화와 환원의 이론을 이해하기 위해 화학 반응의 예를 직접 살펴볼 수 있습니다. 아연 금속과 염소 사이의 반응을 고려해 보겠습니다.

위의 반응에서 아연(Zn)은 먼저 두 개의 전자를 잃고 양이온이 됩니다.

여기서 각 염소 원자는 한 개의 전자를 받아들이고 음이온이 됩니다.

이제, 이러한 두 개의 서로 다른 전하를 가진 이온들은 결합하여 아연 염화물(ZnCl2)을 형성합니다.
이 반응에서 아연이 전자를 잃기 때문에 산화되고, 염소가 전자를 받아들여 환원됩니다.
원자가 전자를 잃으면 산화수는 증가합니다. 우리의 예에서 아연의 산화수는 0에서 +2로 증가합니다. 산화수가 증가하므로 이 부분의 반응은 산화 반응이라고 합니다. 반면에, 원자가 전자를 받아들일 때, 그 원자의 음의 산화수가 증가합니다. 즉, 원자의 산화수가 0을 기준으로 감소하는 것입니다. 산화수가 감소하거나 줄어들기 때문에, 이 부분의 반응은 환원 반응이라고 합니다.

배터리 방전

배터리에는 두 개의 전극이 전해질에 담겨 있습니다. 외부 부하가 이러한 두 전극에 연결되면, 하나의 전극에서는 산화 반응이 시작되고 동시에 다른 전극에서는 환원이 발생합니다.
산화가 발생하는 전극에서는 전자의 수가 과다해집니다. 이 전극은 음극 또는 아노드라고 합니다.

반면에 배터리 방전 중에는 다른 전극에서 환원 반응이 발생합니다. 이 전극은 양극 또는 캐토드라고 합니다. 아노드에서 과다한 전자들은 이제 외부 부하를 통해 캐토드로 흐릅니다. 캐토드에서는 이러한 전자들이 받아들여져, 즉 캐토드 물질은 환원 반응에 관여하게 됩니다.
아노드에서의 산화 반응의 결과물인 양이온 또는 양이온은 전해질을 통해 캐토드로 흐르고, 동시에 캐토드에서의 환원 반응의 결과물인 음이온 또는 음이온은 전해질을 통해 아노드로 흐릅니다.
배터리 방전을 설명하기 위한 실제 예를 들어 보겠습니다. 니켈 카드뮴 셀을 고려해 보겠습니다. 여기서 카드뮴은 아노드 또는 음극입니다. 아노드에서의 산화 중에 카드뮴 금속은 OH – 이온과 반응하여 두 개의 전자를 방출하고 카드뮴 수산화물이 됩니다.

이 배터리의 캐토드는 니켈 산화수산화물 또는 단순히 니켈 산화물로 만들어져 있습니다. 캐토드에서는 환원 반응이 발생하며, 이 환원 반응으로 인해 니켈 산화수산화물은 전자를 받아들여 니켈 수산화물이 됩니다.

배터리 충전

배터리 충전 중에는 외부 DC 소스가 배터리에 적용됩니다. DC 소스의 음극은 배터리의 음극 또는 아노드에 연결되고, DC 소스의 양극은 배터리의 양극 또는 캐토드에 연결됩니다.

외부 DC 소스로 인해 아노드에 전자가 주입됩니다. 아노드에서 환원 반응이 일어나며, 사실 배터리 방전 시에는 캐토드에서 환원 반응이 발생합니다. 이 환원 반응으로 인해 아노드 물질은 전자를 되찾고 배터리가 방전되지 않았을 때의 상태로 돌아갑니다.
DC 소스의 양극이 캐토드에 연결되어 있으므로, 이 전극의 전자는 DC 소스의 양극에 끌립니다. 결과적으로 캐토드에서는 산화 반응이 발생하고, 캐토드 물질은 배터리가 방전되지 않았을 때의 상태로 돌아갑니다. 이것이 배터리 충전의 기본 원리입니다.

재충전 가능한 니켈 카드뮴 셀의 예를 들어 보겠습니다. 배터리 충전 중에는 충전기 DC 소스의 음극과 양극이 배터리의 음극과 양극에 연결됩니다. 아노드에서는 DC 소스의 음극에서 전자가 공급되어 환원이 발생하여, 카드뮴 수산화물은 다시 순수한 카드뮴으로 변환되고 수산화 이온(OH–)을 전해질로 방출합니다.

캐토드 또는 양극에서는 산화로 인해 니켈 수산화물이 니켈 산화수산화물로 변환되며, 전해질 용액에 물을 방출합니다.

배터리 충전 중에는 이차 배터리는 원래의 충전 상태로 돌아가고, 추가적인 배터리 방전을 위해 준비됩니다.

성명: 원본을 존중합니다. 좋은 기사는 공유할 가치가 있으며, 저작권 침해가 있는 경우 삭제 요청하시기 바랍니다.