작용물질(作用物質), 활물질(活物質)

 

작용물질(作用物質), 활물질(活物質)

 

그림과 같이 전지의 양극(兩極)을 도선으로 연결하여 방전시키면 전류가 양극(+)에서 음극(-)으로 흘러 전기적인 일을 행한다. 이 경우 양극(兩極)에서는 각기 일정한 화학변화를 일으키게 된다. 이 화학변화는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 작용을 하므로 양극물질 또는 활물질 이라고 한다.

음극에 사용하는 활물질을 음극 활물질, 양극(陽極)에 사용하는 활물질을 양극 활물질이라고 부른다. 그림에서 아연(Zn)은 음극 활물질, Cu는 양극 활물질이다.

 

 

 

<그림> 작용물질

분극작용(分極作用) Polarization

 

탄소극을 양극으로 하고 아연을 음극, 염화암모늄(NH₄Cl)을 전해액으로 사용한 전지를 방전시킨 경우에 아연은 용해되어Zn⁺⁺+2e가 되고,

염화암모늄의Cl^-와 결합하여 ZnCl₂가 된다.

양극에서는H⁺가 방전하여2H⁺+2e→H₂가 된다. 이 경우 H₂가스가 제거되면H⁺는 계속 방전할 수 있으나 전극 중에 원자 또는 분자의 상태로 머물러 극의 표면을 에워싸므로H가 방전할 수 없게 되어 전압이 떨어진다. 이와 같이 전극에 석출(析出)하는 물질이 다시 용해하려는 경향과 전해액의 농도 변화로 역기전력이 생겨 전극(電極)의 반응진행을 방해하는 현상을 “분극작용”이라 한다.

 

전지의 분극작용은 양극(陽極)에 석출하는 수소에 의한 것이 많아서 복극제(復極劑)로 초산, 중크롬산 염, 이산화 망간, 산화동, 또는 이산화 연 등이 사용된다.

전지의 최초의 기전력을 E, 정저항으로 일정시간 방전한 후의 기전력을 E′라고 하면 분극작용은

E-E'/E×100[%]로 표시된다.

축전지 방전율(蓄電池 放電率) Discharge Rate

 

방전율은 방전전류의 크기를 나타내는 말이다. 일반적으로 완전충전 상태의 축전지 단자전압이 방전 제한 전압에 도달할 때까지의 시간 수로 표시한다.

예를 들면 10시간율 전류는 방전제한전압까지 이르는데 10시간을 필요로 하는 전류를 뜻한다.

축전지 효율(蓄電池 效率) Battery Efficiency

 

축전지의 효율은 그 전지가 어떤 방전율 하에서 얻어진 전기량 또는 에너지량을 방전전과 같은 상태까지 충전하는데 요하는 전기량 또는 에너지량에 대한 비(比)로서 보통 백분율로 표시한다. 전기량의 비를 Ampere Hour 효율, 에너지량의 비를 Watt Hour 효율이라 한다.

가. Ampere Hour 효율 = 방전전류×방전시간/충전전류×충전시간×100(%)

나. Watt Hour 효율 =평균방전전압×방전전류×방전시간/평균충전전압×충전전류×충전시간  ×

                              100 [%]

                             =평균방전전압/평균충전전압×Ampere Hour 효율[%]

효율은 방전율, 온도, 전해액 비중 등의 조건을 명기치 않으면 의미가 없다. 보통은 상온 10시간율 방전에 있어서 Ampere Hour 효율 90[%]이상, Watt Hour 효율 75[%]이상이다.

중량효율(重量效率) Weight Efficiency

 

전지의 중량 1kg당의 전지의 출력(Watt Hour 용량)을 “중량효율”이라고 하며, 자동차, 전기차 등에 사용하는 이동용 축전지에 있어서는 중량효율이 중요한 평가기준이 된다.

일반적으로 거치용 축전지의 중량효율은 10～15Wh/kg, 이동용 축전지는 20～30Wh/kg, 알카리 축전지는 20～30Wh/kg이다.

축전지 내부저항(蓄電池 內部抵抗)

 

전지의 내부저항은 전극, 전해액, 전극과 전해액의 경계면, 격막의 저항, 고체입자 활물질 사용시의 입자자신의 저항, 입자와 전극간에 경계면 및 입자 상호간의 저항, 입자와 전해액 경계면의 저항 등에 의해서 생긴다.

전극이 금속 또는 탄소이면 저항이 대단히 적기 때문에 타 부분의 저항에 비해서 무시할 수 있다. 전지에 사용되는 고급의 산화물(酸化物), 예를 들면 PbO₂, 이산화망간, CuO 등은 비교적 도전성이 좋으나 이것이 기전변화(起電變化)에 따라서 저급의 산화물로 되면 도전성이 나빠진다. 이 때문에 도전성을 좋게 하기 위해서 흑연 분말을 섞어 전지의 내부저항이 증가하지 않도록 하고 있다. 전해액이 강산(强酸)인 경우는 저항이 적으나 격막을 사용한 경우에는 저항이 높다.