건전지란 무엇인가?
전지는 여러 종류가 있고, 전해질의 구성에 따라 전지의 종류가 나누어집니다. 전지의 구조에 따라 전지가 공급하는 전략량 또한 다릅니다. 1차 전지는 전지 속에 든 화학물질이 소모되면 더 이상 사용할 수 없게 됩니다. 반면에 전력이 다 소모되어도 충전해서 다시 사용할 수 있는 전지를 2차 전지 또는 축전지라고 합니다. 전지는 일반적으로 전해질의 구성에 따라 분류하는데, 전해질은 전지 속에서 전류가 흐르도록 하는 화학물질입니다. 1차 전지에는 전해질이 젤리나 풀과 같은 상태여서 밖으로 잘 새지 않는 건전지와 전해질이 액체 상태의 화학물질인 습전지가 있습니다. 2차 전지는 대부분 전해질이 액체입니다. 전지는 크기가 다양합니다. 전자시계에 들어가는 소형 전지는 무게가 1.4g에 불과하고, 잠수함에 사용하는 대형 전지는 무게가 0.9톤이나 됩니다. 건전지는 대부분 표준규격으로 생산되는데 전지로 전구에 불을 켜려면 전지의 한쪽 극부터 전구의 꼭지, 필라멘트, 전구의 꼭지 쇠, 전지의 다른 극까지 끊어진 부분 없이 전류가 흘러야 합니다. 전지가 공급하는 전압도 종류에 따라 다릅니다. 손전등에 사용하는 1차 전지는 전압이 1.5V이고, 자동차용 2차 전지는 대게 2V 셀 여섯 개를 직렬로 연결해서 12V를 공급합니다. 건전지는 1차 전지 중에서 가장 널리 사용되고 있습니다. 건전지도 여러 종류가 있지만, 기본적인 구조는 거의 비슷합니다. 건전지에는 전극이 두 개 있고, 각각의 전극에는 서로 다른 화학물질이 들어 있습니다. 전극들 사이에 전해질이 있어서 전극 중 하나를 (+) 극으로, 나머지 하나를(-) 극으로 만듭니다. 전해질은 전극에서 일어나는 화학반응을 촉진시킵니다. 건전지는 크게 탄소아연전지, 알칼리전지, 수은전지로 나누어지는데 각 전지 별로 구체적으로 알아보겠습니다.
건전지의 종류
건전지는 크게 3종류로 분류합니다. 탄소아연전지, 알칼리전지, 수은 전지입니다. 먼저 탄소아연전지는 손전등이나 장난감과 같은 곳에 사용하는 범용 전지입니다. 아연 용기 속에 들어 있는데 아연 용기는 내부 물질을 담는 기능과 더불어 (-) 극 기능을 합니다. 탄소아연전지의 중심에 있는 탄소 막대가 (+) 극으로 전류를 흐르게 하는데, 탄소 막대 주위에 있는 이산화망간과 탄소 가루의 혼합물이 실제 (+)극 구실을 합니다. 전해질은 염화암모늄, 염화아연, 물로 이루어져 있습니다. (+)극과 (-)극 사이에는 전해질을 적신 종이나 판지같은 구멍이 많은 물질로 된 얇은 층이 있어서 사용하지 않을 때 화학물질이 섞이거나 서로 반응하지 않도록 합니다. 이 층을 격리판이라고 합니다. 화학물질이 섞여 버려 사용하지 않을 때도 반응이 일어나면 아연(-)극이 닳아서 전지의 수명이 짧아집니다. 전기를 일으키는 화학반응은 (-)극 표면의 아연원자가 산화(전자를 잃음)되면서 시작합니다. 아연원자가 산화되면 전자를 두 개 잃고 양전기를 띤 이온이 됩니다. 아연이온이 (-)극에서 멀어질 때 전자는 (-)극 표면에 남습니다. 따라서 (-)극에 여분의 전자가 생겨 음전하로 대전됩니다. 전지가 외부 회로와 연결되어 있으면 아연(-)극에 생긴 여분의 전자가 회로를 타고 탄소 막대로 흐르는데, 이러한 전자의 이동이 전류를 만듭니다. 탄소 막대로 들어간 전자는 이산화망간과 물분자와 결합하는데, 이 때 이 물질들이 환원(전자를 얻음)되면서 서로 반응하여 망간산화물과 수산화이온이 됩니다. 그 다음에 일어나는 반응을 2차반응이라고 하는데, 이 반응은 전기적으로 음성인 수산화이온과 염화암모늄이 물에 녹아서 생기는 암모늄이온이 결합하는 반응입니다. 2차반응의 결과로 암모니아 분자와 물분자가 생깁니다. 이러한 화학반응의 결과로 탄소아연전지는 이산화망간이 모두 소모될 때까지 계속해서 전기를 공급하며, (+)극 물질이 모두 소모되면 전지는 더 이상 에너지를 공급할 수 없습니다. 탄소아연전지는 다 쓴 뒤에는 전자 제품에서 즉시 꺼내야 합니다. 전지가 다 소모된 뒤에도 아연 용기가 계속 부식되어 구멍이 생기는데, 이 구멍으로 전해질이 새면 전자 제품이 손상되기 때문입니다. 탄소아연전지는 대부분의 다른 1차 전지와 마찬가지로 잘 충전되지 않습니다. 그러나 충전기를 이용해서 전지의 수명을 약간 늘릴 수 있습니다. 충전기는 전지에 흐르는 전류의 반대 방향으로 전류를 흘려서 충전합니다. 그리고 알칼리전지는 탄소아연전지와 비슷합니다. 알칼리전지와 탄소아연전지는 (+) 극과 (-) 극이 같은 물질이고, 비슷한 화학반응이 일어나지만 여러 가지로 다릅니다. 알칼리전지에는 탄소아연전지보다 훨씬 쉽게 산화되는 다공성 아연이 들어 있습니다. 전해질로는 수산화칼륨이라는 강한 알칼리 용액을 사용하는데, 이 용액은 전지 내부에서 탄소아연전지의 전해질보다 전류가 더 잘 흐르게 합니다. 이런 이유로 알칼리전지는 탄소아연전지보다 높은 전류를 유지하면서 효율적으로 전류를 공급합니다. 알칼리 전지는 자전거 전등, 전기면도기, 휴대용 라디오나 TV, 무전기의 전원으로 사용하기 좋습니다. 알칼리전지는 탄소아연전지보다 전지의 수명이 다섯 배에서 여덟 배까지 길어서 전류가 많이 필요한 장난감에 사용하면 경제적으로 사용할 수 있습니다. 마지막으로 수은전지는 (+) 극이 산화수은, (-) 극이 아연, 전해질이 수산화칼륨으로 이루어져 있습니다. 아연은 방전되는 동안 산화아연으로 바뀌고 산화수은은 수은으로 바뀝니다. 그러나 수산화칼륨은 변하지 않습니다. 수은전지는 탄소아연전지나 알칼리 전지와 같은 다른 1차 전지와 달리 사용 도중에 전압이 떨어지지 않고 일정한 전류를 내서 과학장비나 보청기와 같은 민감한 장치에 사용하기에 좋습니다.