전지, 충전지, 납축전지, 방전과 기억효과에 대해 알아보자

전지

전기자동차, 스마트폰 및 손전등과 같은 전기 장치에 전원을 공급하기 위해 화학에너지를 저장하고 필요할 때 전기로 변환하여 직류 전력을 생산하는 기기이다. 한 개 이상의 셀로 이루어져 있다. 볼타가 처음 만들었다. 전해질에 금속 이온이 녹으면 금속의 특성에 따라 전위차가 생겨 전류를 흘린다. 두 극판을 만들고 사이에 전선을 연결하여 전류를 공급받는다. 전지는 장시간 동안 안정적인 전압을 출력한다. 이는 순간적인 방전을 일으키는 축전기와는 구분된다.

일차 전지와 이차 전지 차이
일차 전지는 일반 가정에서 사용하는 건전지처럼 한번 쓰고 나면 다시 충전해서 쓸 수 없는 전지이다. 일차 전지에는 알칼리 전지, 건전지, 수은 전지, 리튬 전지 등이 있다. 이차 전지는 다시 충전해서 사용할 수 있는 충전지를 통칭한다. 이차 전지에는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지(NiMH battery), 리튬이온 이차전지(Li-Ion Secondary Batteries), 리튬이온폴리머 이차전지(Li-Ion Polymer Secondary Batteries) 그리고 납 축전지(Lead-acid battery) 등이 있다.

전지의 수명

전지를 포장 그대로 놔두었다고 하더라도 전지는 해마다 2%에서 25%까지 기존의 충전량을 잃는다. 이 양은 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 특히 온도 영향이 크며 온도가 높을수록 잃는 양이 더 늘어난다. 방전되는 양을 줄이기 위해 시원한 곳에 보관하는 것이 좋다. 그런 이유로 건전지를 냉장고에 보관하는 방법을 사용하기도 한다. 하지만 적정 범위를 벗어난 너무 높거나 너무 낮은 온도 또한 전지의 수명을 줄인다.

충전지의 수명

충전지는 방전되는 속도가 전지보다 더욱 빠르다. 주위 환경 온도에 따라 다르다. 하루에 3%까지 잃을 수 있다. 충전지는 옷장이나 창고에 보관하고 있다가 위급 시 랜턴이나 라디오에 사용하려고 하면 동작하지 않을 수 있다. 이런 이유로 인해 항상 일반 전지를 가지고 있는 것이 좋다. 니켈-카드뮴 전지는 살 때 항상 거의 방전되어 있다. 따라서 사용하기 전에 꼭 충전하고 사용해야 한다. 또한 오래 충전하지 않으면 전압이 떨어지기 때문에 오랜 보관을 할 때는 완전히 충전해서 보관하는 것이 좋다.

점점 발전되는 배터리 충전 기술

기억 효과

현재는 낮은 전압으로도 동작할 수 있게 기술이 발전하였다. 초기의 니켈-카드뮴에서 일어났던 기억 효과는 거의 찾아볼 수 없으며 일반적인 사용에 있어 고려할 필요가 없다. 휴대전화와 캠코더에 쓰이는 리튬이온 이차 전지 등에서는 이러한 기억 효과는 존재하지 않는다.

원래의 뜻으로는 특정한 니켈 카드뮴 전지에서 부분적으로 방전시킨 다음 반복적으로 재충전할 경우 최대 에너지 용량을 잃는 것을 말했다. 메모리 효과라고도 한다. 이차 전지에서 찾을 수 있는 효과이다. 방전이 충분하지 않은 상태에서 다시 충전하면 전지의 실제 용량이 줄어드는 효과를 말한다. 요즘에는 전지가 예측한 바보다 덜 충전되는 모습을 보이는 경우에까지 모두 해당한다.

이차 전지를 모두 사용하지 않은 상태, 곧 전하가 충분히 남아 있는 상태에서 충전을 되풀이하면 전하가 남아있음에도 방전 전압이 떨어져서 용량이 줄어든 것처럼 보인다. 이는 방전 전압이 떨어지는 것으로 전지 자체가 열화하는 것을 뜻하는 것은 아니다.

납 축전지(자동차 배터리 등 산업용 배터리)
납 축전지는 납과 황산을 이용한 이차 전지이다. 주로 자동차 배터리 등에 사용된다. 다른 이차 전지보다 용량이나 전압이 크다. 1859년 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테에 의해 발명되었다.

구조

양극((+)극)으로 쓰이는 이산화 납판과 음극((-)극)으로 쓰이는 납판이 묽은 황산에 잠겨 있는 구조이다. 구형 납축전지는 밀폐 상태가 안 좋아 주기적으로 진한 황산을 채워 넣어주어야 했다. 현재 시판 중인 납축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 누출의 위험이 없다.

납 축전지(자동차 배터리) 충전 및 방전

다음과 같은 반응으로 충전과 방전을 반복한다.

(완전 충전 상태) Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (완전 방전 상태)

 

먼저 음극인 납판은 묽은 황산과 반응하여 황산납과 2개의 전자를 방출한다. 
Pb(s) + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2e- + 2H+(aq)

이 전자들이 도선을 따라 흐르다가 양극에 만나면 다음과 같은 반응을 한다. 
PbO2(s) + 2e- + H2SO4(l) → PbSO4(s) + 2OH-

이러한 반응으로 전압을 만든다. 1개의 셀에서 나오는 전압 약 2볼트이다. 다른 전지에 비해 매우 높은 편이다.

방전

방전은 일반적으로는 충전되어 있는 전지로부터 전류가 흐르는 현상이다. 전지가 닳는 것을 말한다. 하지만 기체 등 전기가 거의 통하지 않는 것들이 강한 전기장 속에 있을 때 절연을 잃고 전류가 흐르는 현상을 말하는 경우가 많다. 방전 현상의 종류로는 코로나 방전, 아크 방전, 기체 방전, 진공 방전, 글로 방전 등이 있다.

배터리의 방전

일반적으로 휴대 기기(휴대 전화)의 전지를 오랫동안 쓰기 위해서는 완전히 다 쓴 후에 다시 충전시켜야 한다고 알고 있다. 이는 예전에 적용된 니켈-수은 전지나 니켈-카드뮴 전지에 한정된다. 최근의 휴대 전화에 쓰이는 전지는 대부분 리튬 이온 전지이다. 이것은 오랫동안 충전을 하지 않으면 내부의 충전액이 굳어 오히려 수명이 줄어들 수 있다.

 

오로라 현상은 태양에서 방출된 잔자 등이 대기 중 입자와 부딪혀 빛으로 방전되는 방전 현상이다.

방전 현상의 일부 예시
번개와 오로라 같은 자연 현상들도 일종의 방전 현상이다. 번개는 서로 다른 전기를 띤 구름 사이에서 생기는 방전 현상이고, 오로라는 태양에서 방출된 전자등이 대기 중의 입자와 부딪혀 빛을 내는 방전 현상이다.
정전기가 많이 발생하는 겨울철에 문 등의 손잡이와 손 사이에서 스파크가 튈 수 있다. 이것은 공기 중에서의 기체 방전의 한 종류이다. 아크 방전이 일어나면 흰색 불꽃이 생기는데 이것을 이용해 금속 용접을 하기도 한다.