배터리 작동 원리: 배터리는 어떻게 작동합니까?

배터리의 작동 원리

배터리는 전해질과 금속 사이의 산화 및 환원 반응을 통해 작동합니다. 두 개의 서로 다른 금속 물질, 즉 전극이 희석된 전해질 속에 놓일 때, 전극의 금속의 전자 친화력에 따라 각각의 전극에서 산화 및 환원 반응이 일어납니다. 산화 반응으로 인해 하나의 전극은 음전하를 얻어 음극(cathode)이 되고, 환원 반응으로 인해 다른 전극은 양전하를 얻어 양극(anode)이 됩니다.

음극은 배터리의 음극 단자를 형성하고, 양극은 배터리의 양극 단자를 형성합니다. 배터리의 기본 원리를 올바르게 이해하기 위해서는 우선 전해질과 전자 친화력에 대한 기본적인 개념을 알아야 합니다. 실제로 두 개의 서로 다른 금속이 전해질에 담글 때, 이들 금속 사이에는 전위 차가 발생하게 됩니다.

특정 화합물을 물에 첨가하면 용해되어 음이온과 양이온을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 종류의 화합물은 전해질이라고 불립니다. 전해질의 대표적인 예로는 대부분의 종류의 염, 산, 그리고 알칼리 등이 있습니다. 중성 원자가 전자를 받아들이면서 방출되는 에너지는 전자 친화력이라고 합니다. 다양한 재료의 원자 구조가 다르기 때문에, 다양한 재료의 전자 친화력도 다릅니다.

두 가지 다른 종류의 금속을 같은 전해질 용액에 담글 때, 하나는 전자를 얻고 다른 하나는 전자를 잃게 됩니다. 어떤 금속(또는 금속 화합물)이 전자를 얻고 어떤 금속이 전자를 잃는지, 이것은 해당 금속들의 전자 친화력에 따라 결정됩니다. 전자 친화력이 낮은 금속은 전해질 용액의 음이온에서 전자를 얻습니다.

반면에, 전자 친화력이 높은 금속은 전자를 방출하며, 이러한 전자는 전해질 용액으로 나와 용액의 양이온에 추가됩니다. 이렇게 하여 한 금속은 전자를 얻고, 다른 하나는 전자를 잃게 됩니다. 결과적으로, 이 두 금속 사이에는 전자 농도의 차이가 생깁니다.

이러한 전자 농도의 차이는 금속 사이에 전기적 전위 차를 발생시킵니다. 이 전기적 전위 차 또는 전기 동력은 어떠한 전자 기기나 전기 회로에서 전압 소스로 사용될 수 있습니다. 이것이 일반적이고 기본적인 배터리의 원리이며, 이것이 배터리가 작동하는 방법입니다.

모든 배터리 셀은 이 기본 원리에 기반합니다. 하나씩 살펴보겠습니다. 앞서 언급했듯이, 알레산드로 볼타가 최초의 배터리 셀을 개발하였고, 이 셀은 간단한 볼타 셀로 널리 알려져 있습니다. 이 간단한 셀은 매우 쉽게 만들 수 있습니다. 하나의 용기를 준비하고, 희석황산을 전해질로 채웁니다. 이제 이 용액에 아연과 구리를 담그고, 외부 전기 부하로 연결합니다. 그러면 간단한 볼타 셀이 완성됩니다. 전류가 외부 부하를 통해 흐르기 시작할 것입니다.

희석황산 속의 아연은 다음과 같이 전자를 내놓습니다:

이 Zn + + 이온들은 전해질로 들어가며, 각각의 Zn + + 이온은 아연 막대에서 두 개의 전자를 남깁니다. 위의 산화 반응 결과, 아연 전극은 음전하를 얻어 음극(cathode) 역할을 하게 됩니다. 따라서, 전해질 내 음극 근처의 Zn + + 이온의 농도가 증가합니다.

전해질의 특성에 따라, 희석황산과 물은 이미 양성 수소니온과 음성 황산염 이온으로 분리되어 아래와 같습니다:

음극 근처에서 Zn+ + 이온의 농도가 높기 때문에, H3O+ 이온은 구리 전극으로 밀려가 구리 막대의 원자로부터 전자를 흡수하여 방전됩니다. 다음 반응이 양극에서 일어납니다:

구리 전극에서 발생하는 환원 반응의 결과, 구리 막대는 양전하를 얻어 양극(anode) 역할을 하게 됩니다.

Daniell 셀

Daniell 셀은 구리 황산 용액을 포함하는 구리 용기에 구성됩니다. 구리 용기는 자체적으로 양극을 형성합니다. 구리 용기에 희석황산을 담은 다공성 용기가 위치해 있으며, 아연-수은 합금 막대가 희석황산에 담겨 있어 음극을 형성합니다.

다공성 용기 안의 희석황산이 아연과 반응하여 수소가 발생합니다. 다음과 같은 반응이 일어납니다:

다공성 용기에서 ZnSO4가 생성되더라도, ZnSO4 결정이 침전되기 전까지 셀의 작동에는 영향을 미치지 않습니다. 수소 가스는 다공성 용기를 통과하여 CuSO4 용액과 반응하여 다음과 같은 반응이 일어납니다:

생성된 구리는 구리 용기에 침착됩니다.

배터리의 역사

1936년 여름, 이라크 바그다드 시 근처에서 새로운 철도 노선 건설 중 고대 무덤이 발견되었습니다. 이 무덤에서 발견된 유물들은 약 2000년 전의 것들이었습니다. 이 유물 중에는 피치로 봉인된 도자기 항아리가 있었으며, 그 항아리의 봉인된 상부에서 철봉과 구리 시트로 감싸진 원통형 튜브가 돌출되어 있었습니다.

발굴자들은 이러한 항아리에 산성 액체를 채웠을 때, 철과 구리 사이에 약 2볼트의 전위 차가 발생한다는 것을 발견했습니다. 이 도자기 항아리는 2000년 전의 배터리 셀로 추정되었으며, 이를 파르티아 배터리라고 명명하였습니다.

1786년, 이탈리아 해부학자이자 생리학자인 루이지 갈바니는 죽은 개구리 다리를 두 개의 서로 다른 금속으로 만졌을 때, 다리의 근육이 수축하는 것을 보고 놀랐습니다.

그는 실제 이유를 이해하지 못했지만, 그렇지 않았다면 그는 배터리 셀의 첫 발명가로 알려졌을 것입니다. 그는 조직의 특성 때문일 것이라고 생각했습니다.