전지원리

전지원리

1.전지?

전지란 전지내부에 들어있는 화학물질(활물질:active material)의 화학에너지(chemical energy)를 전기화학적 산화-환원반응(electrochemical  oxidation-reduction reaction)에 의해 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 장치이다.

전지의 음극은 전자를 내어주면서 자신은 산화되는 물질이며(산화반응), 이때 생성된 전자는 외부기구를 거쳐 양극으로 이동한다.
양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질로서, 양이온을 함께 받는다. 음극으로 부터 이동해온 전자는 양극 물질과  환원반응을 일으킨다.

한편, 전기적 회로는 전해질(electrolyte) 내에서 anion (negative ion)과 cation (positive ion)이 음극과 양극 방향으로 물질이동이 일어나면서 형성된다. 

 

2.전지원리

가.볼타전지

볼타전지는(1800년)는 구리판(양극), 아연판(음극), 황산(전해액)으로 이루어져있다.

 

<<볼타전지의 전기발생>>

1.아연판에 전자가 발생
  아연판을 만들고 있는 아연원자가 ,전자를 
    남기면서 아연이온이 되어 전해액에 용해된다.
    동판 쪽은 대부분 용해되지못한다.

2.아연판의 전자가 대이동
  아연판에는,아연이 용해하는 만큼 전자 수가
   증가한다. 그리고,도선을 타고 동판(플러스 극)
    쪽으로 이동.

3.수소이온이 전자를 받아들인다.
  전해액의 황산에는 수소 이온이 포함되어 있다.
    그런데,  동일한 전해액 속에 아연이온이 생기면,
    수소는 아연보다도 이온 힘이 약하기 때문에,
    수소이온은 동판에 이동해 왔던 전자에 들러붙고,
    수소가스로 돌아온다.동판의 표면에 수소 가스의 
    거품이 들러붙게 된다. 
    이렇게 전자가 소비되면 ,또 아연판으로부터 전자가
    이동해 온다.그것에 의하여,전자를 보내는 측의 
    아연판이 마이너스 극으로 ,수취한 측의 동판이
  플러스 극이 된다.
    만약, 수소 이온이 전자를 받아들일 수 없으면,
    전류가 흐르지 않는다.(분극)

 

나. 다니엘전지

다니엘 전지(1836년)의 예를 그림으로만 보여준다. 
다니엘 전지는 구리판(양극), 아연판(음극), 전해액(CuSO4/ZnSO4)으로 이루어져있다

다. 리튬이온 전지

리튬이온전지의 원리는 다음과 같다.
Li-ion 전지는 정극(양극, cathode)으로 Lithium oxide계(예를들면, LiCoO2)를 사용하고, 부극(음극, anode)으로 carbon계(예를들면, graphite)를 사용한다. 
방전시 리튬이온은 부극인 graphite 격자구조 속에 있는 Li 이온이 빠져나와 분리막을 거쳐 정극의 결정구조 속으로 이동해 들어간다. 
충전시에는 산화물 정극에서 Li 이온이 빠져나와 분리막을 거쳐 탄소부극의 결정 속으로 이동하여 들어간다. 따라서 충방전시 Li ion의 이동에 따라 결정구조는 크게 변한다.  
전해질로 수용액대신 유기용매를 사용한다.

<<Lithium ion battery(LIB) 원리>>

 따라서, 전지작동은 다음과 같이 일어난다.

충방전시 양쪽 전극의 전위차에 따라 전지 외부회로에서의 전자흐름과 전지내부에서의 이온흐름이 동시에 일어난다.
충전은 외부의 전기에너지를 전지내부의 전기화학반응을 통하여 화학에너지로 바꾸는 것이다. 외부에서 음극(탄소전극)으로 전자가 들어가면 전해염의 Li ion은 전자를 받아 환원되어 음극에 붙게된다. 이때, 양극에서는 전자가 외부회로로 흘러나가며 전극 활물질은 산화되고 Li ion을 잃게 된다. 

방전은 충전의 역반응으로 외부회로에 전기에너지를 공급한다. 

 

라. 리튬이온 폴리머(LIPB, PLI)

LIPB는 리튬이온 전지(LIB)의 전극구성과 비슷하며, 단지 전해질만 고분자 전해질을 사용하는 것이 다르다. 전해질은 고체고분자전해질, 유기용매와 염을 고분자에 혼합한 하이브리드 gel 전해질이 있다. 

<<Plastic lithium ion battery(PLI) 원리>>

 

참고사이트:
1. http://samsungsdi.co.kr/sddhome/webdriver?MIval=html_view.cgi&top=A7&mid=B1&low=C1&lang=K
2. http://battery.rnd.lgchem.co.kr/doc/oran-batinfo1.html
3. http://www.world.sony.com/Electronics/BAT/ION/
4. http://www.mbi.panasonic.co.jp/