일차전지 : 알카라인 건전지와 망간 건전지의 공통점 및 차이점

일차전지들의 원리와 종류 별 차이점을 알아보자

 

일차전지

우리 모두가 이차전지에 관심을 가지고 있지만 그 시작은 일차전지에 있었다.

흔히 건전지라고 불리는 일차전지는 현재는 알카라인 건전지 (사실 알카라인 전지라고 표현된 것이 맞다. 건전지 자체가 dry cell의 의미를 내포하지만 알카라인 전지는 축축하다....)를 주로 사용하고 있다. 오늘은 이 알카라인 건전지 (건전지라고 자꾸 언급하니 양심에 찔리는 전공자...)와 '건전지'라는 용어의 시초가 되고, 현재 건전지의 모양의 시초인(한쪽은 튀어나오고 한쪽은 평평하게 설계)망간 건전지를 소개해보려고 한다.

 

일차전지는 재충전이 불가능한 전지이며 오직 방전만 가능한 일회성 배터리라고 말할 수 있다. 후에 충전이 몇 번 가능한 세미 이차전지(?)라고 불릴만한 제품이 반짝 나오긴 했지만 배터리의 한 획을 그었다고 하긴 힘드니 이 부분은 제외하고 설명을 드리겠다.

 

 

* 리튬이온배터리 / 2차전지에 대해서 궁금하신 분은 아래 링크로!!

 

https://kkangjeong2.tistory.com/85?category=1000540 

Pure silicon이 음극에 적용되려면 해결해야하는 문제점 / 리튬이온배터리

 

https://kkangjeong2.tistory.com/87?category=1000540

리튬이온배터리 : 하이니켈 양극재와 인산철 양극재

 

망간 건전지

망간 건전지

Leclanche 전지, 망간전지, 건전지, 아연-탄소전지 등으로 불리는 망간 건전지는 현재는 사용하는 건전지 시스템이 아니고 건전지가 상용화되기 초반에 나온 모델이다. 양극,음극,전해질 그리고 집전체로 이루어져 있는데, 양극으로 망간산화물을 사용하며 음극으로 아연을 사용한다. 전해액은 zinc chloride와 ammonium chloride를 섞어서 주로 사용한다.

 

건전지라 전해액이 들어가지 않을 것 같지만 건전지라는 이름의 어원은 전지를 열었을 때 전지 내에 액체가 촉촉하게 남아있지 않아서 지어진 별명이지 전해액은 어느정도 들어가있다.

 

망간 건전지의 특징은 집전체 역할을 하는 탄소 막대기인데 이 탄소 막대기로 인해 양극부분이 튀어나오게끔 제작이 되었다. 현재 나오는 건전지는 이 부분이 필요없음에도 불구하고 사용자가 사용 시의 편의성을 위해 현재까지도 양극부분은 튀어나오게 제작이 된다.

 

아연음극은 아연금속을 덩어리채로 사용을 한다. 

 

전해액은 양극에 주입하며 양극은 전해액과 도전재가 섞인 paste 형태로 들어가게된다.

 

망간 건전지의 경우 자가방전이 꽤 일어나는데, 이 반응은 음극에서 zinc가 녹아나가고 H+가 환원되어 H2가 만들어지는 반응으로 이로 인해 음극인 zinc 손실이 일어나 용량퇴화의 원인이 되며 이 과정에서 발생하는 수소가스로 인해 배터리의 내압이 증가하여 케이스가 벌어져 누액이 발생한다.

 

이러한 단점을 보안하기 위해 그 다음에 나온 모델이 알카라인 전지라고 보시면 되겠다.

알카라인 건전지

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알칼라인 건전지 / 알칼라인 전지

건전지 시스템에서 자가방전을 억제할 수 있는 조건 중에는 PH 조절이 있다. 

즉, 전해액이 염기성이면 염기성일 수록 수소가스가 발생하는 반응이 자발적으로 일어나지 않게 된다. (zinc의 부식억제)

 

하여, 거의 똑같은 시스템에서 전해액만 바꾼 것이 알카라인 전지라고 할 수 있겠다.

배터리 내에 양극,음극 모두 망간전지와 동일한 구성으로 가지고 있지만, 양극과 음극의 위치가 망간 건전지와 반대인 점이 디자인 측면에서 다르다고 볼 수 있다. 특히, 알카라인 건전지에서 특이한 점은 망간 건전지와 다르게 탄소 막대기가 없다. 따라서 케이스에 튀어나온 부분이 없어야 하는데 앞서 말했다싶이 사용자가 편하게 임의로 꼭지를 만들었다. 

 

전해액은 기존 zinc chloride에서 potassium hydroxide로 바꾸었으며 이전 시스템보다 전해액이 염기성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

 

알카라인 전지(건전지)는 현재 우리가 건전지라고 불리는 일차전지에 사용이되고 있으며 기존 망간건전지와 비교해서 부반응을 확실히 억제한 시스템이다.