배터리 충전과 방전은 무엇일까?

요즘 많은 뉴스와 주식에서 화두가 되고 있는 분야이죠.

바로 배터리입니다.

우리생활에서 이제는 빼놓을 수 없는 것이 바로 전기이죠.
문명사회에 살고 있는 우리로서는 누구나 전기의 신세를 지지 않고는 단 몇 시간도 보낼 수 없게 되었기 때문입니다.
이러한 전기에 대해서 몇 가지 알아가는 시간을 가져보려고 합니다.

그럼 이번 글도 재밌게 봐주셨으면 감사하겠습니다.

# 1.전기란 도대체 무엇인가.

위 제목과 같은 질문을 받은 전문적인 교육을 받은 사람들은 당황하실 수 있으실것 같습니다.

전문적인 지식을 가지고 계신분이 전기에 대한 아무정보가 없는 사람에게 설명을 한다는 것은 어려운 일이니까요.

이러한 전기는 전등에서 빛이 되고, 전기 스토브나 다리미에서는 열이 되는가 하면 또 전자석으로 이용될 경우,
쇠붙이를 끌어당기는 힘을 만드는 것이 전기인데요.
이러한 전기의 작용을 생각해 보아도 전기 자체가 어떤 것인가에 대한 규명은 되지 않았습니다. 많은 과학자들이 전기의 정체를 규명하기 위해 인류는 오랫동안 노력해 왔죠. 이미 4백여 년 전부터 자연계에는 전기라는 것이 있다는 사실이 알려져 있었습니다.
그래서 많은 학자나 연구가들이 이에 대한 연구를 했지만, 전기가 어떻게 하면 일어나느냐에 대한 현상 규명 정도에 불과했습니다. 물체와 물체를 서로 문지르면 마찰전기가 일어난다거나, 천둥 번개도 일종의 전기일 것 같다는 등을 알아낼 수 있었지만, 전기 그 자체의 정체는 밝혀내지 못했었죠.

그러나 이러한 현상을 중심으로 한 전기의 연구는 꾸준히 계속되었습니다. 전기의 정체를 모르면서도 전기를 이용한 발명품은 계속 나왔다. 1879년에 에디슨이 발명한 백열전구도 이러한 발명품 중의 하나였다. 전선을 타고 흐르는 전기의 정체는 물론 에디슨도 알지 못했었던 것이다.
전기의 정체가 처음으로 규명된 것은 1897년의 일로 에디슨이 백열전구를 발명한 이후 20년쯤이 지나서 영국의 물리학자 J.J 톰슨이란 사람에 의해서 밝혀졌다. 톰슨은 여러 가지 실험 끝에 전기라는 것이 아주 미세한 입자라는 것을 알아냈다. 그는 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 한다는 것을 알고, 전자(일렉트론)라고 이름을 붙였던 것이다.

# 2.건전지 원리

볼타의 전퇴(電堆)에서 발전한 것이 건전지인데, 요즘 가장 손쉽게 전기를 만들 수 있는 것이 바로 이 건전지입니다. 
몇 십 년 전만 하더라도 건전지는 회중전등에나 이용될 뿐, 활용가치가 적었지만 지금엔 여러 가지 전기제품에 두루 사용되고 있죠.
그렇다면 전지 1개에서 나오는 에너지는 어느 정도일까요? 1.5볼트 짜리 건전지는 외부 저항 5 Ω에서 500분간 사용할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
전지는 사용할수록 점점 전압이 떨어지는데요. 평균 1.3V의 전압이 방전했다고 가정하고 역학적 에너지로 환산하면 1kg의 물체를 1000미터 높이로 들어올리는 정도의 에너지로 상당한 에너지양입니다.
건전지는 1878년 프랑스의 르크랑셰란 사람이 발명한 르크랑셰 전지를 휴대용으로 편리하게 간소화한 것인데, ‘망간전지’라고도 합니다.
건전지의 구조는 중앙의 탄소봉(炭素棒)을 (+)극(양극) 바깥쪽의 아연통을 (-)극(음극)으로 하고 있습니다. 탄소봉의 둘레를 염화암모늄의 포화수용액에 이산화망간의 분말과 흑연의 분말을 반죽한 것으로 둘러싼 다음 다시 염화암모늄의 포화용액을 전분질로 풀처럼 만들어 굳힌 것으로 싸서 아연통속에 넣은 것이죠. 

그럼 이렇게 만들어진 건전지에서는 어떻게 전기가 만들어지는 것일까요? 건전지 내 염화암모늄은 용액 속에서 전리해서 암모늄 이온과 염소이온이 됩니다. 음극인 아연 Zn은 아연 이온이 되어 용액 속에 녹고 아연 통에는 전자를 남긴다. 
그 때문에 아연통은 마이너스 극이 되는 것이죠.

액 속의 암모늄 이온는 아연 이온에 의해 쫓겨나 탄소봉에 모이게 되고, 탄소봉에서 전자를 얻어 암모니아와 수소로 분해되는 것이죠. 따라서 탄소봉은 전자가 부족하므로 플러스극이 됩니다.

탄소봉의 주위에서 발생한 수소는 그대로 두면 탄소전극에 밀착되어 버리므로 전지의 능률이 떨어지는데요. 그 때문에 이산화망간의 산화작용을 이용하여 수소를 물로 변화시켜 버리는 것 입니다. 이런 작용이 일어나도록 사용하는 이산화망간과 같은 물질을 소극제(消極劑)라고 합니다. 
탄소봉과 아연통과의 사이에 전위 차가 있으므로, 두 극 사이를 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되는 것 입니다.

# 3.충전과 방전

한번 사용한 건전지는 다시 쓸 수 없죠? 이러한 전지를 1차 전지라고 합니다.
이에 대해 축전지처럼 한 번 사용한 전지라도 충전만 하면 몇 번이고 다시 사용할 수 있도록 고안한 전지가 있는데요. 이것을 바로 2차 전지라고 하는 것 입니다.
자동차의 배터리 등 평소 흔히 쓰이는 축전지의 대표적인 것으로 연(납)축전지가 있습니다. 축전지는 전기를 저축하고 있는 것이 아니라, 전기 에너지를 만들어내는 화학 에너지를 저장하고 있는 것 입니다.

묽은 황산 속에 이산화연판을 (+)극으로, 순수한 납(Pb)판을 (-)극으로 넣습니다. 그런 다음 연축전지의 두 극을 도선으로 연결하면 화학반응이 일어나게되는것입니다.
즉 묽은 황산 용액 속에는 황산이 전리되어 수소 이온 2 와 황산이온 로 되는데요. (-)극에서는 납이 용액에 녹아 납 이온으로 되어 연판에 전자를 남기기 때문에 음전기를 띠게 되는 것 입니다. 이때 납 이온은 용액 속에서 즉시 황산 이온과 결합해서 황산연이 되어 극판에 붙게됩니다.
한편 (+)극에는 수소 이온이 모여 극판에서 전자를 취해 H로 됨과 동시에 이산화연 PbO₂에서 산화되어 물로 변화하게되는것입니다.
간단하게 정리해보면 두 극을 도선으로 연결하여 전류가 흐른다는 것을 방전이라고 합니다. 그리고 방전에 의해 두 극판이 모두 황산연 로 변하고 동시에 묽은 황산은 물이 됩니다. 그러면서 기전력이 점점 감소되어지는 것이죠. 여기서 사용되는 연축전지는 비중 1.25 정도의 묽은 황산을 쓰므로 기전력은 약 2V입니다. 이러한 축전지를 방전하면 기전력은 1.8V, 비중은 1.15 정도로 변화하게 됩니다. 
이때 외부에서 반대방향의 전류를 흘리면 전과는 전혀 반대의 화학변화가 일어나 다시 원상태로 복구된다. 
이것을 충전이라고 한다.