망간전지
망간전지는 100여 년 이상의 역사를 가진 전지로 가격이 저렴해 널리 사용되고 있다. 우리가 흔히 건전지라고 부르는 전지가 바로 망간전지로 음극으로 아연, 양극 재료로는 이산화망간을 사용한다. 전해질로는 염화암모늄이나 염화아연 등을 사용하는데, 초기에는 수용액 상태의 전해질을 사용했지만 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해 젤상태로 만들면서 건전지라고 불리게 되었다.
망간전지는 음극 재료인 아연으로 된 원통이나 사각기둥 모양의 용기에 전해질과 이산화망간 분말을 채운 후 양극 단자에 탄소봉을 꼽은 형태로 되어 있다. 이 때 사용된 탄소봉 때문에 아연-탄소(Zinc Carbon) 전지라고도 하는데, 이 때 사용된 탄소봉은 전자의 전도를 높여 전류가 잘 흐르고 용량이 충분히 사용될 수 있도록 하는 역할을 담당한다. 방전 전압은 1.5V로 TV 리모컨처럼 잠깐씩 사용하는 기기의 전원으로 적당하다.
알카라인 전지
망간전지에 비래 용량이 커서 오래 사용할 수 있기 때문에 최근에 가장 많이 사용하는 전지이다. 알카리 전지라고도 하는 알카라인 전지는 망간전지와 마찬가지로 음극 재료로 아연, 양극 재료로 이산화망간을 사용한다. 다만 전해질로 강알카리성인 수산화칼륨(KOH) 용액을 사용하는데, 이 때문에 알카리 전지라는 이름이 붙게 되었다. 전해질로 사용된 수산화칼륨은 이온 전도도가 망간전지에 비해 상당히 높기 때문에 그 만큼 전자들의 이동이 쉽게 이루어질 수 있기 때문에 전지의 용량이 커진다. 여기에 음극 재료인 아연을 분말 형태로 첨가해 산화환원반응이 일어나는 면적과 부피를 크게 해 용량을 증가시킨 것이 특징이다. 따라서 전압은 1.5V로 망간전지와 동일하지만 용량은 훨씬 크기 때문에 동일한 조건에서 알카라인 전지를 사용하면 훨씬 오랫동안 사용할 수 있다. 특히 연속적으로 큰 전류를 필요로 하거나 장기간 동안 전지를 교체하기 힘든 곳에 사용할 때 적당하다. 일상 생활에서 장난감이나 라디오, 카세트 등에 주로 사용하는 알카라인 전지는 원통 모양이지만, 시계나 계산기 등에 사용하는 단추 모양의 소형 전지 중에서도 알카리 전지와 같은 계열의 전지가 많이 있다.
가장 널리 사용되는 1차 전지인 알카라인 전지
수은전지
지금도 시계나 계산기에 들어가는 버튼형(Button) 전지를 보고 수은전지라고 부르는 사람들이 있다. 물론 90년대 중반까지만 해도 수은 전지가 사용되기는 했지만 수은이 심각한 공해 물질로 인식되면서 이제는 더 이상 사용되지 않는다. 수은전지는 전해질로 수산화칼륨 등을 사용한 알카리 전지 계열의 소형 전지로 음극은 아연을 사용하고 양극에는 산화수은이 사용된다. 양극 재료인 산화수은 때문에 수은 전지라는 이름으로 불리게 되었다.
수은전지는 에너지 밀도가 높아 적은 부피의 전지로 큰 용량을 낼 수 있고, 방전 전압이 일정하고 안정적이어서 소형 시계나 계산기는 물론 보청기 등에 널리 사용되었었다. 하지만 이제는 산화은전지나 공기아연, 리튬 전지 등이 그 자리를 대신하고 있다.
산화은 전지
역시 알카라인 계열의 소형 전지로 수은전지와 구조는 동일하지만 양극 재료로 산화은을 사용한다. 수은 전지와 마찬가지로 에너지 밀도가 높고, 수명이 다할 때 까지 안정적인 전압을 유지하기 때문에 카메라의 노출계, 시계, 보청기 등 정밀 기기에 주로 사용된다. 다만 가격이 비싼 산화은을 양극 재료로 사용하기 때문에 그 만큼 비싸다는 단점이 있다.
산화은 전지의 방전 특성. 방전 전압이 수명이 끝날 때 까지 거의 일정하다.
공기아연전지
양극재료로 공기중의 산소를 사용한다는 점이 산화은 전지나 알카리 버튼 전지와 다른 점이다. 공기중의 산소는 쉽게 구할 수 있기 때문에 양극 재료를 전지에 넣어둘 필요가 없다. 대신 그 만큼 더 많은 음극 재료인 아연을 채울 수 있어, 높은 에너지 밀도와 큰 용량을 갖는다. 아울러 자기 방전율이 낮다는 특징을 가지고 있지만, 공기 중에 전지가 노출되면 방전되기 때문에 보관할 때는 주의를 필요로 한다. 보청기용 전원으로 특히 많이 사용되며, 기상관측용 전지로도 사용된다.
다양한 종류의 공기아연 전지
리튬전지
음극 재료로 리튬을 사용하는 리튬전지는 양극 재료에 따라 여러 가지 종류가 있다. 리튬은 지구상에 존재하는 금속 중에서 가장 가볍기 때문에 단위 무게 당 용량이 다른 금속에 비해 많다. 즉, 다른 금속에 비해 에너지 밀도가 높기 때문에 작고 가벼우면서도 용량이 큰 전지를 만들 수가 있다. 특히 기존의 전지 보다 2배나 높은 약 3V 전압을 얻을 수 있기 때문에 더욱더 전지의 크기와 무게를 줄이는 것이 수월하다. 망간전지나 알카리 전지의 경우 3V를 얻으려면 두 개의 전지를 직렬로 연결해 사용해야 하지만 리튬전지는 한 개만으로도 가능하기 때문이다.
주로 카메라에 많이 사용되는 원통형 리튬전지
이러한 우수한 특징을 가지고 있음에도 불구하고 리튬이 가진 성질 때문에 상용화되는데 상당한 시간이 걸렸다. 리튬은 물과 만나면 수소 가스와 열을 발생시키면 급속하게 반응한다. 따라서 취급하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 기존의 전지에서처럼 수용액 형태의 전해질을 사용할 수가 없었다. 하지만 유기용매와 다양한 종류의 양극 재료가 개발되면서 본격적인 전성기를 맞이하게 되었다. 리튬전지 중에서는 양극 재료로 이산화망간을 사용한 전지가 주로 많이 사용되며, 용도에 따라 원통형, 버튼형, 각형 등 다양한 모양의 제품이 사용되고 있다. 특히 고체 전해질을 사용하는 리튬전지는 출력이 낮다는 단점이 있지만 전해질이 새어나올 염려가 없고 용량이 크기 때문에 인공심장의 전원으로 사용된다.
다양한 종류의 리튬전지
장난감이나 낚시용 찌에 사용되는 핀모양의 리튬전지
<출처 : 김달훈 (http://www.pcbee.co.kr)>
망간전지는 100여 년 이상의 역사를 가진 전지로 가격이 저렴해 널리 사용되고 있다. 우리가 흔히 건전지라고 부르는 전지가 바로 망간전지로 음극으로 아연, 양극 재료로는 이산화망간을 사용한다. 전해질로는 염화암모늄이나 염화아연 등을 사용하는데, 초기에는 수용액 상태의 전해질을 사용했지만 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해 젤상태로 만들면서 건전지라고 불리게 되었다.
망간전지는 음극 재료인 아연으로 된 원통이나 사각기둥 모양의 용기에 전해질과 이산화망간 분말을 채운 후 양극 단자에 탄소봉을 꼽은 형태로 되어 있다. 이 때 사용된 탄소봉 때문에 아연-탄소(Zinc Carbon) 전지라고도 하는데, 이 때 사용된 탄소봉은 전자의 전도를 높여 전류가 잘 흐르고 용량이 충분히 사용될 수 있도록 하는 역할을 담당한다. 방전 전압은 1.5V로 TV 리모컨처럼 잠깐씩 사용하는 기기의 전원으로 적당하다.
알카라인 전지
망간전지에 비래 용량이 커서 오래 사용할 수 있기 때문에 최근에 가장 많이 사용하는 전지이다. 알카리 전지라고도 하는 알카라인 전지는 망간전지와 마찬가지로 음극 재료로 아연, 양극 재료로 이산화망간을 사용한다. 다만 전해질로 강알카리성인 수산화칼륨(KOH) 용액을 사용하는데, 이 때문에 알카리 전지라는 이름이 붙게 되었다. 전해질로 사용된 수산화칼륨은 이온 전도도가 망간전지에 비해 상당히 높기 때문에 그 만큼 전자들의 이동이 쉽게 이루어질 수 있기 때문에 전지의 용량이 커진다. 여기에 음극 재료인 아연을 분말 형태로 첨가해 산화환원반응이 일어나는 면적과 부피를 크게 해 용량을 증가시킨 것이 특징이다. 따라서 전압은 1.5V로 망간전지와 동일하지만 용량은 훨씬 크기 때문에 동일한 조건에서 알카라인 전지를 사용하면 훨씬 오랫동안 사용할 수 있다. 특히 연속적으로 큰 전류를 필요로 하거나 장기간 동안 전지를 교체하기 힘든 곳에 사용할 때 적당하다. 일상 생활에서 장난감이나 라디오, 카세트 등에 주로 사용하는 알카라인 전지는 원통 모양이지만, 시계나 계산기 등에 사용하는 단추 모양의 소형 전지 중에서도 알카리 전지와 같은 계열의 전지가 많이 있다.
가장 널리 사용되는 1차 전지인 알카라인 전지
수은전지
지금도 시계나 계산기에 들어가는 버튼형(Button) 전지를 보고 수은전지라고 부르는 사람들이 있다. 물론 90년대 중반까지만 해도 수은 전지가 사용되기는 했지만 수은이 심각한 공해 물질로 인식되면서 이제는 더 이상 사용되지 않는다. 수은전지는 전해질로 수산화칼륨 등을 사용한 알카리 전지 계열의 소형 전지로 음극은 아연을 사용하고 양극에는 산화수은이 사용된다. 양극 재료인 산화수은 때문에 수은 전지라는 이름으로 불리게 되었다.
수은전지는 에너지 밀도가 높아 적은 부피의 전지로 큰 용량을 낼 수 있고, 방전 전압이 일정하고 안정적이어서 소형 시계나 계산기는 물론 보청기 등에 널리 사용되었었다. 하지만 이제는 산화은전지나 공기아연, 리튬 전지 등이 그 자리를 대신하고 있다.
산화은 전지
역시 알카라인 계열의 소형 전지로 수은전지와 구조는 동일하지만 양극 재료로 산화은을 사용한다. 수은 전지와 마찬가지로 에너지 밀도가 높고, 수명이 다할 때 까지 안정적인 전압을 유지하기 때문에 카메라의 노출계, 시계, 보청기 등 정밀 기기에 주로 사용된다. 다만 가격이 비싼 산화은을 양극 재료로 사용하기 때문에 그 만큼 비싸다는 단점이 있다.
산화은 전지의 방전 특성. 방전 전압이 수명이 끝날 때 까지 거의 일정하다.
공기아연전지
양극재료로 공기중의 산소를 사용한다는 점이 산화은 전지나 알카리 버튼 전지와 다른 점이다. 공기중의 산소는 쉽게 구할 수 있기 때문에 양극 재료를 전지에 넣어둘 필요가 없다. 대신 그 만큼 더 많은 음극 재료인 아연을 채울 수 있어, 높은 에너지 밀도와 큰 용량을 갖는다. 아울러 자기 방전율이 낮다는 특징을 가지고 있지만, 공기 중에 전지가 노출되면 방전되기 때문에 보관할 때는 주의를 필요로 한다. 보청기용 전원으로 특히 많이 사용되며, 기상관측용 전지로도 사용된다.
다양한 종류의 공기아연 전지
리튬전지
음극 재료로 리튬을 사용하는 리튬전지는 양극 재료에 따라 여러 가지 종류가 있다. 리튬은 지구상에 존재하는 금속 중에서 가장 가볍기 때문에 단위 무게 당 용량이 다른 금속에 비해 많다. 즉, 다른 금속에 비해 에너지 밀도가 높기 때문에 작고 가벼우면서도 용량이 큰 전지를 만들 수가 있다. 특히 기존의 전지 보다 2배나 높은 약 3V 전압을 얻을 수 있기 때문에 더욱더 전지의 크기와 무게를 줄이는 것이 수월하다. 망간전지나 알카리 전지의 경우 3V를 얻으려면 두 개의 전지를 직렬로 연결해 사용해야 하지만 리튬전지는 한 개만으로도 가능하기 때문이다.
주로 카메라에 많이 사용되는 원통형 리튬전지
이러한 우수한 특징을 가지고 있음에도 불구하고 리튬이 가진 성질 때문에 상용화되는데 상당한 시간이 걸렸다. 리튬은 물과 만나면 수소 가스와 열을 발생시키면 급속하게 반응한다. 따라서 취급하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 기존의 전지에서처럼 수용액 형태의 전해질을 사용할 수가 없었다. 하지만 유기용매와 다양한 종류의 양극 재료가 개발되면서 본격적인 전성기를 맞이하게 되었다. 리튬전지 중에서는 양극 재료로 이산화망간을 사용한 전지가 주로 많이 사용되며, 용도에 따라 원통형, 버튼형, 각형 등 다양한 모양의 제품이 사용되고 있다. 특히 고체 전해질을 사용하는 리튬전지는 출력이 낮다는 단점이 있지만 전해질이 새어나올 염려가 없고 용량이 크기 때문에 인공심장의 전원으로 사용된다.
다양한 종류의 리튬전지
장난감이나 낚시용 찌에 사용되는 핀모양의 리튬전지
<출처 : 김달훈 (http://www.pcbee.co.kr)>
<김형재의 청능재활 블로그 : 스타키보청기 분당-용인 난청센터, 031-719-8119>
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