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전지-cell/battery(電池)

화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 전기에너지를 얻는 직류전원(直流電源). 현재 실용화되어 있는 전지는 화학적 방법에 의한 것이 대부분이고, 물리적인 전지는 특수한 분야에서만 사용되며, 1개의 전지에서 얻을 수 있는 에너지도 매우 적다. 화학적인 전지는 1차전지와 2차전지로 나누어진다. 1차전지는 작용물질을 전극 가까이에 미리 넣어 두고, 이 물질의 화학변화에 의해 생기는 전기에너지를 이용하는 것으로, 작용물질의 화학변화가 끝나면 수명(壽命)을 다하여 재생할 수 없게 된다. 이것에는 많은 종류가 있는데, 건전지로서 널리 사용된다. 2차전지는 전기에너지를 방출하여 작용물질이 변화한 후 전지에 전기에너지를 공급, 즉 충전함으로써 작용물질이 재생되어 이를 되풀이할 수 있는 것으로, 축전지로서 많이 사용된다. 연료전지는 넓은 뜻의 1차전지이며, 작용물질을 계속 외부로부터 공급하는 형식이다. 이에 대한 발상은 19세기 초부터 있었으나, 실용화된 것은 얼마 전의 일이다. 물리작용을 이용하는 전지에는 태양전지·열전지·광전지(光電池) 등이 있다.

【1차전지】 대부분은 음극에 아연, 양극에 카본, 전해액(電解液)으로 염화암모늄·수산화나트륨 등을 사용한 것이며, 1개의 기전력(起電力)은 1.4∼1.7 V이다. 가장 많이 보급되어 있는 것은 망간건전지인데, 이것은 음극에 아연, 양극에 카본, 전해액에 염화암모늄과 염화아연을 사용하고, 감극제(減極劑)로서 이산화망간을 사용한 것이다. 이 밖에 소전지(素電池)를 평판형으로 조립하고 이것들을 포개어 쌓아 전기적으로 직렬 또는 병렬로 조합한 적층건전지(積層乾電池)가 있으며, 통신기용의 전원 등에 사용된다. 망간건전지는 기전력 약 1.6 V, 사용시의 전압 약 1.5 V이며, 최근의 것은 음극의 아연을 원통으로 하여 전해액이 흘러나오지 않는 구조로 되어 있으므로 사용 중에 액(液)으로 더립혀질 염려가 없다. 건전지를 사용할 때의 주위온도는 10∼30 ℃가 알맞고, 최고온도는 60 ℃로 보아야 한다. 또, 5 ℃의 저온에서는 용량이 줄고, －20 ℃ 정도가 되면 전해액이 동결하여 전지로서의 기능을 잃게 된다. 미사일이나 우주통신 등에 사용되는 것은 －20 ℃ 이하에서 사용할 수 있도록 만들어지고, 특수 전해액을 사용한 내한건전지(耐寒乾電池)도 실용화되고 있다.

【2차전지】 가장 많이 사용되는 것은 납축전지이다. 이것은 양극에 과산화납, 음극에 해면상(海綿狀)으로 만든 납, 전해액에는 비중 1.2∼1.3의 황산을 넣은 것이며, 기전력은 약 2.1 V, 방전시의 전압은 처음에는 약 2.0 V, 방전최종시에는 약 1.8 V가 된다. 방전을 계속하면 양극이나 음극이 모두 황산납으로 이행(移行)하고, 충전하면 원래의 상태로 되돌아간다. 충전·방전의 횟수는 수백 회에서 1,000회 이상도 가능하다. 1개의 전지의 부피를 크게 한 경우도 기전력의 값은 변하지 않으나, 얻을 수 있는 전류는 부피와 더불어 수십 A라도 얻을 수 있는 대형인 것도 있다. 또, 축전지에는 자동차용과 같이 이동하면서 사용하는 것과 전지실 등에 고정시키는 것이 있는데, 어느 것이나 방전 후에 즉시 충전시키지 않으면 전지의 수명이 짧아진다. 최근에는 알칼리축전지가 널리 보급되고 있는데, 이것은 양극에 수산화니켈, 음극에 카드뮴, 전해액에 알칼리용액을 사용한 2차전지로서, 기전력은 약 1.35 V이다. 충전·방전의 반복사용이 가능하나 납축전지에 비해서 진동에 강하고 자체방전(自體放電)이 적으며, 수명이 길어서 20년 이상이나 사용할 수 있다고 하지만 값이 비싸다.

【연료전지】 몇 가지 형태가 연구되고 있는데, 예를 들면 양극이나 음극에 다공성(多孔性)인 카본을 사용하고, 전해질로는 수산화칼륨, 연료로는 양극 쪽에 산소, 음극 쪽에 수소를 보내는 방식이 있으며, 기전력은 약 0.8 V이다. 이 밖에 니켈을 양극·음극으로 사용하는 것도 있는데, 이 경우 기전력은 0.6 V이며, 200 ℃ 이상의 고온에서도 사용할 수 있다. 전지로만 가는 자동차는 누구나 꿈꾸고 있는 미래의 자동차이다. 환경문제를 거론할 필요도 없이 저소음 과 안락성, 경량화 등 자동차의 핵심은 물론 연료전지에 있다. 연료전지는 포스트 리튬이온 전지의 가장 큰 잠재력을 가진 분야이다. 연료전지는 전지라기 보다는 발전기에 가깝다. 공기와 수소를 연료로 사용하는 연료전지는 이산화탄소 등을 전혀 배출하지 않고 2차전지처럼 충전할 필요가 없는 것이 특징이다. 더욱이 발전효율이 현행 내연기관의 2∼3배에 상당하는 40∼60%에 달한다. 이같은 특징에 착안하여 자동차 업체를 중심으로 한 벤처기업들이 연료전지 개발에 박차를 가하고 있다.

【물리작용에 의한 전지】 이러한 전지의 예로는 태양전지를 들 수 있다. 이것은 실리콘에 미량의 비소(砒素)를 넣은 n형 반도체를 붕소의 화합물 속에서 가열하여 얇은 붕소의 층을 부착시켜서 p형 반도체로 만든다. 이 pn 접합면에 햇빛이 닿았을 때 최고 0.6 V 정도의 기전력을 얻을 수 있고, 햇빛이 닿는 반도체의 면적 1 cm2에 대하여 10 mW 정도의 전력을 얻을 수 있다. 이와 같은 소자(素子)를 다수 조합하면 높은 기전력을 만들 수 있다. 이 전지는 야간이나 구름이 낀 날에는 전지로서의 구실을 하지 못하지만, 인공위성이나 우주기지에서는 유력한 전원으로 이용된다. 열전지는 열기전력을 이용한 것과 고온의 전극에서 방출되는 열전자에 의한 것이 있는데, 전자를 열전쌍형(熱電雙型), 후자를 열전자형의 전지라고 한다. 열전쌍형은 2종류의 다른 금속선의 양끝을 잇고 양쪽 이음매에 온도차를 주면 이 루프 내에 열기전력이 생기는 현상을 이용한 것으로서, 기전력의 값은 두 금속의 종류와 두 접합점의 온도차에 의해서 결정된다. 구리와 콘스탄탄의 조합인 경우 온도 400 ℃에서 약 20 mV의 작은 것이므로, 여러 개의 열전쌍을 조합해서 열전더미[熱電堆]로 만들어야 한다. 열전자형은 진공 속에 두 전극을 두고, 음극 쪽을 고온으로 했을 때 나온 열전자가 양극에 도달하면 에너지가 방출된다. 이것을 에너지원으로 한 것으로, 전극재료로는 음극에 텅스텐, 양극에 몰리브덴을 사용한 예가 있다.

전기 이중층 컨덴서
전기 이중층 컨덴서는 니켈수소 전지나 리튬이온 전지 등에는 없는 특성을 갖고 있다. 이를테면 급속충전이 가능하고 대전류로 방전할 수 있다는 점 외에도 1만회 이상의 충방전을 되풀이 해도 특성이 변하지 않는다는 것이다. 이 분야에서는 일본 오카무라 연구소와 파워 시스템의 공동그룹을 비롯해 NEC, 마쓰시타 전기산업, 에르나 등이 최근 신제품을 선보이며 본격적인 2차전지 시장을 형성해 나가고 있다.

공기 아연전지
공기아연 전지는 다른 전지에 비해 에너지 밀도가 높은 것이 특징이다. 음극에 아연, 양극에 공기중의 산소를 이용하는 2차전지이다. 체적에너지 밀도는 1,000Wh/l 에 달한다. 이론적인 체적 에너지 밀도는 2,100Wh/l 나 되며, 리튬이온 전지의 1570Wh/l를 능가한다는 평가를 받고 있다. 이미 실용화된 상태지만 지금까지는 보청기나 무선호출기 등의 소형전원으로 사용된 것이 고작 이었다. 최근에는 대형화를 통해 휴대기기나 전기 자동차용으로 적용하기 위한 시도가 이루어지고 있다.