배터리의 역사

오늘은 2차전지 이전의 배터리에 대해서 이야기해보겠다

1700년대 이탈리아 볼로냐 대학교의 생물학 교수였던 루이지 갈바니가 개구리를 해부하다 황동 철사를 개구리에 댔더는 꿈틀거리는 것을 발견하였다. 여기서 그는 개구리 다리에 전기가 흘러 근육이 움직인다고 생각하였다. 이를 연구하면서 그는 이 에너지를 동물전기라 명칭하였다. 이를 1800년대이르러서 이탈리아의 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 동물전기에 흥미를 갖고 여러 실험을 통해 동물전기의 오류를 증명하는 과정에서 전기가 생성되는 원리를 발견하여, 화학 반응을 통해 전하를 저장하고 방출하는 그 유명한 볼타(Volta) 배터리가 탄생하게 되었다.

 

이 볼타배터리는 구리와 아연 디스크로 구성되어 있었으며 소금물(전해질)에 적신 천이나 판지 층으로 분리되어 있었다. 이 배터리는 안정적으로 전류를 생산했다. 또한, 그는 다양한 금속을 가지고 더 좋은 효과를 낼 수 있는 방식을 실험하였고 아연과 은이 최상의 결과를 제공한다는 것을 발견하였다. 하지만 이때까지만 해도 볼타는 전류가 흐르는 것이 두개의 금속판이 붙은 결과로 생각했다. 그렇기에 아연 판이 부식함에 있어서 전기가 생성되고 남은 것이라고 생각해 고칠 수 없는 결함이라고 생각했다.  물론, 그때 과학자들도 부식을 막는데 성공하지 못했다.  하지만, 추후 높은 전류를 끌어 올릴수록 부식이 더 빠르다는 것이 관찰되면서 과학자들이 화학반응에 의한 의한 걸로 생각을 바꾸게 되었다.

 

그리고 볼타 배터리는 생각보다 배터리의 수명이 짧았다. 기껏해야 1시간정도 작동하였다. 왜냐하면 전류가 생기면서 전해액이 화학반응을 하면서 배터리 내부저항을 꾸준히 증가였고, 둘째는 아연이 불순물 주의에 미세한 단락이 형성되면서 분해 되며 효율이 떨어졌기 때문이다. 

하지만, 그럼에도 불구하고 배터리의 초석을 다졌다고 볼수있다. 

 

최초의 실용적인 배터리들

 

 다니엘 셀

  - 다니엘이라는 영국 화학 교수가 만들어낸 것으로 기존 볼타배터리에서 전해질에 의해 생성된 수소를 제거 함으로써 좀더 효율적인 배터리가 되었다. 그는 황산과 아연 전극으로 채워진 토기 용기와 구리 냄비로 구성된 다니엘 셀을 발명하였다. 토기는 이온은 통과하지만, 토기 안과 밖의 용액이 섞이지 않도록 하였다. 이를통해 볼타배터리에서 더 길고 신뢰할 수 있는 전류를 제공하였고, 더 안전하고 부식이 덜했다. 

이는 여러 다른 셀을 만들기 위한 초석이 되었다.

 

 

 다공성 도자기 셀

  - 이 버전은 다니엘 셀을 기반으로 악기 제작자인 존 댄서에 의해 1838년에 발명되었다. 이 셀은 황산아연 용액이 담긴 다공성 도자기 중앙에 아연 양극을 담근 구조로 되어있으며, 그 도자기는  셀의 음극 역할을 하는 황산구리용액이 담겨있는 구리캔에 들어가 있는 구조이다.

 

 

 포겐도르프 셀

  -  이 셀은 1842년에 독일의 과학자 요한 포겐도르프가 다공성 도자기를 사용해서 전해질과 탈분극기를 분리하는 문제를 극복했다. 전해질을 희석한 황산과 크롬산을 사용해서 다공성 도자기 역할을 없앴다. 이 셀은 1.9V제공했기에, 수년간 과학자들에게 인기가 있었다. 

 

 

 그로브 셀

  - 이 셀은 1839년에 윌리엄 로버트 그로브가 발명했다. 이 셀은 아연 양극(황산에 담근)과 다공성 도자기로 분리된 백금 음극(진산에 담근)으로 구성되어있었다. 이 셀은 다니엘 셀의 2배의 전압을 제공해서 미국에서 인기가 있었지만, 유독한 산화질소 연기를 발생시켰고, 전하가 감소함에 따라 전압은 급격히 감소하는 단점이 있었다.

 

 중력 셀

   - 1860년대 칼로라는 프랑스인이 중력 셀이라는 것을 발명하였다. 이 사람은 다공성 도자기를 배재하여 좀더 간단한 버전의 배터리를 발명하였다. 이를 통해 배터리내 내부 저항을 줄여서, 더 강한 전류를 방출시킬수 있게 하였다. 좀 더 효율적이 었기 때문에 1950년대 까지 널리 사용되었다.  원리는 음극(구리)은 바닥에 있고, 양극(아연)이 유리항아리 테두리에 매달려 있다. 항아리는 증류수로 채워진다. 전류가 발생하면, 양극 주위의 상단에 황산아연 용액층이 형성(투명)되어 하부의 구리 황산염층(파란색)과 분리되어진다. 여기에서 장점은 색깔을 통해 배터리 수명을 측정할 수 있다는 점이다. 하지만, 고정 기기에서만 사용 가능하며, 두 용액이 확산에 의해 혼합이 되는 것을 막기 위해 전류를 지속적으로 끌어내야 하는 부분에 있어서 간헐적인 사용에는 적합하지 않았다.

 

 

충전식 배터리의 발견

  납축전지

    - 최초의 실용적인 배터리부분에서 말했던 기존의 배터리들은 화학반응을 통해 전기에너지가 모두 소모되면 영구적으로 방전되서 재사용이 불가능했다. 그런데 1859년에 가스통 플랑드르라는 사람이 역전류를 통과하여 충전 할 수 있는 최초의 배터리인 납산 배터리를 발명했다. 이 납산 셀은 황산에 잠긴 납 양극과 이산화납인 음극으로 구성되어진다. 두 전극 모두 산과 반응하여 황산납을 생성하지만, 납 양극에서는 전자를 방출하고, 음극 이산화납에서는 전자를 소비하여 전류를 생성한다. 이러한 화학 반응을 통해서 배터리에 역전류를 줘서 재충전할 수 있게 하였다.

    - 이 배터리는 다른 배터리들에 비해, 에너지 양에 비해 다소 무겁고 부피가 컸다. 하지만 내부저항이 낮아 큰 전류를 만들 수 있었다. 이를 통해서 여러 회로에 전기를 공급할 수 있었다.

   - 오늘날 화학반응물이 다 소모될 때까지만 전류를 발생시키면 "1차전지", 배터리를 재충전하여 화학반응을 되돌릴 수 있으면 "2차전지"라 분류하게 되었으며, 이 납축전지는 최초의 "2차전지"가 되었다.

 

20세기 배터리

   니켈-철 배터리

     - 이 배터리는 Waldemar Jungner가 니켈-카드뮴 배터리 특허와 같이 냈다. 하지만 니켈-카드뮴배터리의 성능이 더 뛰어났기에 신경쓰지 않았다. 여기서 토마스 에디슨은 경쟁이 치열한 배터리 시장에서 이익을 내기 위해 고민하였고, 알카라인 기반 배터리를 개발하기 위해 노력했고, Waldemar Jungner의 니켈-철 설계를 빌려, 니켈-철 배터리 특허를 받았다. 초반에는 배터리 수명이 짧아지기 쉬웠기에, 납산전지를 능가하지 못했다. 하비낭 좀더 연구끝에 이 배터리는 디젤-전기 철도에 응용했고, 철도 횡단 신호에 백업 전력을 제공하는 등 큰 성공을 거두 었다.

 

   알카라인 배터리

    - 1950년대 후반까지, 아연-탄소 배터리는 낮은 배터리 수명이 단점이었다. 그러다 캐나다 엔지니어가 아연-탄소 배터리의 수명 연장을 위한 임무를 받아 연구하였고, 에디슨 연구를 바탕으로 개발하였다. 더 오래 지속되는 알카리성 배터리를 개발하였지만 가격이 비쌋다. 하지만 지금은 저렴하게 살수있게되었다.

  

   리튬이온배터리

    - 이 배터리는 배터리 크기에 비해 용량이 커서, 휴대기기에 많이 사용되고있다. 동일 크기의 니켈-카드뮴 배터리보다 용량이 3배나 높고, 메모리 현상이 없어서 배터리의 용량이 줄어들지 않아 오랫동안 사용할 수 있는 배터리이다. 이 배터리는 1912년 미국의 물리 화학자 길버트로부터 시작되었다. 하지만 70년대까지 시장에 출시되지는 못했다. 리튬의 반응성이 너무 커서 안정성 문제 해결이 어려웠기 때문이다. 그러다 일본에서 1985년에 리튬 배터리의 충전식 및 더 안정적인 버전의 리튬 이온 배터리의 프로토타입을 제작하였고, 소니에서 1991년에 사용화 하였다.