처음 읽는 2차전지 이야기

들어가며
감수자의 글-기후변화의 위기 속에서 기회가 되어주는 2차전지

1장 전지에 관한 아주 기초적인 이야기
1 우리 주변에 있는 다양한 전지
2 형태로 분류한 화학전지
3 화학전지의 발명과 진화
4 자동차배터리로 맹활약하는 세계 최초의 2차전지
5 전지의 기초-전지의 기본 구조
6 전지의 기초-화학반응식으로 이해하는 전지반응
7 전지의 기초-산화환원 반응
8 전지의 기초-수소반응에 의한 전압 저하
9 볼타전지를 개량한 다니엘전지
10 전지의 전기를 만드는 이온화경향에 관하여
11 이온화경향을 보여주는 표준환원전위
12 깁스에너지, 표준환원전위를 구하는 또다른 방법

2장 건전지와 2차전지 이야기
1 건전지의 구조와 원리
2 알칼리망간건전지의 ‘알칼리’란 뭘까
3 전지의 성능-기전력의 크기
4 전지의 성능-출력의 크기
5 전지의 성능-얼마나 오래 쓸 수 있을까
6 전지의 성능-에너지의 크기
7 1차전지는 왜 충전할 수 없을까
8 전통의 자동차배터리, 납축전지
9 납축전지의 전지반응
10 납축전지는 왜 열화하는 걸까
11 에디슨이 발명한 니켈-철 전지
추억의 빨간 망간과 검은 망간

3장 다양한 2차전지 이야기
1 니켈계 2차전지
2 니켈-카드뮴전지
3 니켈-아연전지
4 니켈-수소전지
5 우주에서 활약하는 또 하나의 니켈-수소전지
6 NAS전지
7 산화환원 흐름 전지
8 제브라전지
9 산화은 2차전지
10 2차전지의 충전
11 스마트폰과 전기자동차의 급속 충전
12 무선 충전 기술
13 충전효율과 사이클수명
14 충·방전 문제-메모리효과와 리프레시 충전
15 충·방전 문제-덴드라이트
16 충·방전 문제-활물질의 미세화와 고립화
17 충·방전 문제-과방전과 과충전
18 축전지와 축전기 중간쯤에 위치한 전기 이중층 축전기
헷갈리는 아니온과 카티온, 애노드와 캐소드

4장 다양한 리튬이온전지 이야기
1 리튬계 전지의 역사
2 리튬이온전지의 원리
3 리튬이온전지의 형태와 용도
4 양극에 따라 달라지는 리튬이온전지
5 리튬이온전지의 종류-리튬코발트산화물이온전지
6 리튬이온전지의 전해액
7 리튬이온전지 분리막의 기능과 소재
8 리튬이온전지의 종류-리튬망간산화물 이온전지
9 리튬이온전지의 종류-리튬인산·이온전지
10 리튬이온전지의 종류-삼원계와 니켈계 리튬이온전지
11 리튬이온전지의 종류-리튬폴리머 2차전지
12 사고를 방지하는 배터리관리시스템
13 리튬이온전지의 열화와 재활용
14 리튬 2차전지의 종류-이산화망간-리튬 2차전지
15 리튬 2차전지의 종류-리튬티탄산화물 2차전지
16 리튬 2차전지의 종류-바나듐계, 니오브계 리튬 2차전지
산화수와 전하

5장 차세대 2차전지 이야기
1 차세대 2차전지의 선두를 달리는 전고체전지
2 리튬-황전지는 꿈과 같은 리튬금속 2차전지
3 최고의 2차전지라는 리튬-공기 2차전지
4 나트륨이온전지
5 다가이온전지
6 유기라디칼전지
7 전환전지
8 플루오르이온 셔틀전지
9 이중이온전지
10 바이폴라 2차전지
11 리튬이온축전기
12 리튬이온전지의 후계자는 역시 리튬이온전지일까
우주에서 활약하는 리튬이온전지와 이온엔진

리튬이온전지와 건전지 외에도 수많은 종류의 전지가 있다. 전지는 먼저 기본 원리에 따라 화학전지와 물리전지로 분류할 수 있다. 화학전지란 화학반응으로 전기를 발생시키는 장치다. 건전지와 리튬이온전지는 화학전지에 속한다.
화학전지는 다시 1차전지, 2차전지, 연료전지로 분류할 수 있다. 1차전지는 정해진 용량을 다 쓰면 끝인 일회용 전지를 가리키는데, 방전이 끝나면 폐기할 수밖에 없다. 리모컨이나 시계에는 보통 1차전지인 알칼리망간건전지 등을 사용한다. 물론 니켈-수소전지 같은 2차전지를 쓰는 사람도 있다. 2차전지는 다 쓴 후에도 충전해서 여러 번 다시 쓸 수 있는 전지를 말하며, 충전지나 축전지라고도 불린다. 리튬이온전지는 2차전지에 해당한다.

화학전지는 쓰이는 기기와 사용조건에 따라 여러 형태로 분류할 수 있다. 우리가 평소에 많이 쓰는 원통형 전지에는 D, C, AA, AAA, N의 네 종류가 있다. 원통형 전지로는 1차전지인 망간건전지와 알칼리망간건전지 외에도 2차전지인 니켈-카드뮴전지(니카드전지), 니켈-수소전지, 리튬이온전지 등이 있다.
건전지 중에는 원통형 전지보다 더 큰 직육면체 모양의 각형 전지도 있다. 각형 건전지를 적층 건전지라고도 부르는데, 이것은 내부에 여러 건전지가 직렬로 연결되어 있기 때문이다. 건전지 1개의 전압은 1.5V이므로, 전지를 6개 연결해서 만든 각형 건전지의 전압은 9V다. 각형 전지는 전동공구나 무선조종 자동차 등 높은 전압이 필요한 기기에 주로 쓰인다. 각형 전지로는 망간건전지와 알칼리망간건전지, 니켈-수소전지 등이 있다.

볼타전지에서는 아연판이 음극이고 구리판이 양극이다. 두 가지 금속이 있는데, 하나는 음극, 또 하나는 양극이 되는 이유는 무엇일까? 그 이유는 아연이 구리보다 더 쉽게 이온이 되기 때문이다. 즉 ‘금속이 용액에 녹아서 양이온이 되려는 정도’인 이온화경향이 크기 때문이다. 주요 금속의 이온화경향을 표 1-2에 정리했으며, 40페이지에서도 이온화경향을 자세히 설명한다.
하지만 볼타전지에서 전류가 흐르는 진짜 이유는 아연과 구리의 이온화경향 차이가 아니라, 아연과 구리와 수소라는 세 가지 원소의 이온화경향 차이다. 구리는 수소보다 이온화경향이 작으므로 묽은황산에는 거의 녹지 않는다. 한편 아연은 수소보다 이온화경향이 크므로 묽은황산에 넣으면 녹아서 아연이온이 되며, 아연의 표면에서는 수소기체가 발생한다.
따라서 묽은황산에 아연판과 구리판을 넣으면, 아연은 녹고 구리는 그대로다. 그리고 이 둘을 도선으로 이어 주면 볼타전지가 된다.