전지 - 전지는 전기회로에 전류가 흐르도록 에너지를 공급하는 기능을 갖고 있다. 즉, 전지 내부의 화학적 에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 도구이다. 전지의 기본 원리는 전극으로 사용하는 금속의 이온화 경향의 차이를 이용하는 것으로 전해액으로 이온화경향이 큰 금속이 먼저 녹아 들면서 전극에 전자를 축적한 음극이 되고, 상대쪽 금속이 양극이되어 두극 사이에 전구를 연결하면 전자가 음극에서 양극으로 이동하면서 불이 켜지게 된다.
따라서 실험으로 자주 만들어 보는 귤전지같은 과일전지를 만들 때에는 과일에 꽂아주는 금속의 종류가 달라야 한다. 동일 종류의 금속을 사용하면 두 극의 전기적 위치에너지가 같기 때문에 전류가 흐를 수가 없다. 과일에 꽂은 금속 중에 이온화경향이 큰 쪽의 금속이 음극이 되는 것은 변함이 없다.
상용화된 전지에는 건전지와 축전지가 있는데 건전지는 1회용 이지만 축전지는 재충전을 할 수 있으므로 반 영구적이다. 건전지 중에는 탄소봉 건전지와 수은 건전지가 있다. 탄소봉 건전지는 아연으로 만든 통의 중앙에 탄소봉을 세우고, 그 사이에 염화암모늄 1, 염화아연 1, 탄소가루 1, 이산화망간 1, 석고가루 3, 물 2의 비율로 섞어 만든 물질을 채워 넣으면 비교적 사용시간이 긴 전지가 만들어 진다. 이때 탄소봉은 양극이 되고 아연판은 음극이 된다. 건전지는 단단하게 밀폐하여 물이 새어나오거나 증발하는 것을 방지해야 한다.
수은전지는 미국의 루우벤이 1945년에 발명한 것으로 루우벤전지라고도 하지만 정확하게는 산화수은-아연전지이다. 산화수은을 양극으로하고 음극으로는 아연을 쓰며, 그 사이의 전해액으로는 수산화칼륨을 이용한다. 수은을 사용하기 때문에 가격은 비싸지만, 소형으로 제작되면서도 성능이 높기 때문에 손목시계나 계산기 및 보청기 등에 주로 쓰인다. 다만 한번 사용하면 재충전을 할 수 없는 1차전지라서 수은에 의한 환경오염이 염려되는 전지이다. 수은은 밀도가 물의 13배나 되기 때문에 땅에 버리면 서서히 지하로 스며들고 결국은 지하수를 오염시키므로 수은전지의 폐기만은 주의를 요한다. 수은을 부득이 개인이 폐기해야 할 경우에는 철가루와 수은을 섞은 후, 샬레에 담아 땅에 똑바로 묻어야 한다.
축전지는 음극에 납판을 쓰고 양극에는 이산화납을 사용하며, 그 사이의 전해질용액으로는 묽은황산을 사용한다. 방전시에는 양극과 음극이 모두 황산납으로 변화하는 과정이고 다시 충전을 하면 다시 양극은 이산화납으로 음극은 납으로 환원된다. 이처럼 축전지는 전기를 충전하여 재사용 할 수 있으므로 2차전지라고 한다. 축전지의 충전이나 방전의 정도를 측정하는 방법은 전해질용액의 비중을 측정하여 알 수 있다. 방전시에는 물이 증가하고 황산이 적어져 비중이 감소하고, 충전시에는 물이 감소하고 황산이 늘어나 비중이 증가하기 때문이다. 자동차 등의 축전지를 사용할 경우에는 항상 관리를 잘해야 축전지의 수명을 연장 시킬 수 있다. 사용중에 수분의 증발이 많기 때문에 증류수를 보충시켜 주어야 한다. 지하수에는 다른 이온이나 원소가 많으므로 지하수를 전지에 주입하면 전지의 화학작용이 방해를 받기 때문에 전지의 성능이 감소하고, 수명도 짧아진다. 또, 축전지를 방전된 상태로 장시간 방치해 두면 재충전 할 수 없는 상태가 되므로 제 때에 반드시 충전을 해서 보관해야 하고, 사용하지 않을 때라도 일정기간이 지나면 다시 충전을 해야 한다. 단, 니켈(Ni) 관련 전지는 일단 방전이 다 된 후에 충전을 하는 것이 전지 수명의 연장에 유리하나 근래에 많이 사용하는 리튬(Li) 계열의 전지는 오히려 방전이 다된 후에 충전하기 보다는 수시로 충전을 하는 것이 더 좋다.
핸드폰, MP3를 비롯한 모바일 전자기기의 증가에 따라 전지의 중요성이 강조되면서 다양한 전지가 개발되었다. 수소니켈전지, 리튬이온전지 등 등 그 종류와 기능이 그야말로 다양하기 그지없다. 리튬이온전지의 리튬(Li)은 주기율표의 3번 금속으로 다른 전극물질의 내부에 파고들 수 있는 성질을 갖고 있다. 실제의 리튬이온전지는 1차전지인 리튬전지와도 다르고, 리튬이온폴리머전지와도 다르다. 리튬이온전지는 음극으로 리튬을 함유한 흑연을 사용하며, 양극으로는 리튬코발트산화물을 사용한다. 방전시에는 음극의 리튬이온이 양극으로 이동하고, 충전시에는 음극으로 이동한다. 최근에 사용량이 폭증한 리튬이온전지는 에너지 밀도가 높고, 자연방전도 거의 안일어나는 장점이 있는 반면에 폭발 위험성이 있는 것이 단점이다.
전지의 용량은 보통 mAh를 사용한다. 휴대폰에는 보통 1000~1500mAh 용량의 전지를 사용하고 있다. 예를들어 1000mAh 용량의 배터리를 장착한 핸드폰이 대기 상태에서 10mA 의 전류를 소비한다면 100 시간을 대기 상태로 사용할 수 있다는 말이다. 하여튼 배터리의 성능과 용량은 전극물질과 모양, 전해질 종류, 부피에 따라 달라지기 때문에 전극과 전해질에 대한 최적의 물질을 찾아내기 위한 경쟁이 치열하다.
