알칼라인 배터리의 화학
알칼라인 배터리(IEC 코드: L)는 아연과 이산화망간(MnO2) 사이의 전기화학 반응으로 직접 전류를 제공하는 일차 배터리 유형입니다. 알칼라인 배터리는 산성인 염화암모늄(NH4Cl)이나 염화아연(ZnCl2) 전해질 대신 알칼라인 전해질인 수산화칼륨(KOH)을 사용하기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 다른 배터리 시스템도 알칼라인 전해질을 사용하지만, 전극에 다른 활성 물질을 사용합니다. 주요 알칼라인 배터리는 많은 휴대용 장치, 예를 들어 전동 공구, 라디오, 장난감, 원격 제어 등을 구동하는 데 필수적인 널리 사용되는 제품입니다. 가장 흔한 알칼라인 배터리 크기는 잘 알려진 AA 배터리입니다. 알칼라인 배터리는 주로 전류 소모가 적고 간헐적으로만 사용되거나 대체 전원원이 멀리 떨어져 있는 휴대용 장치에 주로 사용됩니다. 예를 들어, 다른 전기 전원이 간헐적으로만 제공되는 경보 및 통신 회로와 같은 경우입니다.
알칼라인 배터리의 화학 원리
간단히 말해서, 각 배터리는 반응을 방지하기 위해 양극과 음극을 분리하도록 설계되었습니다. 저장된 전자는 회로가 닫혔을 때만 흐르게 됩니다. 이는 배터리가 장치에 배치되고 장치가 켜질 때 발생합니다. 회로가 닫히면, 양극(예: 알칼라인 배터리의 이산화망간)에 의한 전자에 대한 더 강한 인력이 회로의 전선을 통해 음극(예: 아연)으로부터 전자를 양극 전극으로 끌어당깁니다. 이 배터리 화학 반응, 전선을 통한 전자의 흐름이 전기입니다.
자세히 들어가면, 배터리는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다. 화학 에너지는 예를 들어, Zn이나 Li와 같은 고에너지 금속에 저장될 수 있습니다. 이들은 전이 금속과 달리 d-전자 결합에 의해 안정화되지 않기 때문입니다. 다양한 종류의 배터리가 다양한 재료 조합으로 존재하더라도, 모두 같은 산화-환원 반응의 원리를 사용합니다. 전해질이라는 이온 전도성이 있고 전기적으로 절연된 물질로 분리된 두 전극에서 자발적인 산화-환원 반응이 일어납니다. 산화-환원 반응은 원자의 산화 상태에 변화를 일으키는 화학 반응입니다. 한 원소로부터 다른 원소로 전자가 이동됩니다. 결과적으로, 도너 원소인 음극은 산화(전자를 잃음)되고 수신 원소인 양극은 환원(전자를 얻음)됩니다.
알칼라인 배터리에서 음극은 아연이고 양극은 고밀도 이산화망간(MnO2)입니다. 수산화칼륨(KOH)의 알칼라인 전해질은 반응 동안 소비되지 않습니다. 오직 아연과 MnO2만 방전 동안 소비됩니다. 수산화칼륨의 알칼라인 전해질은 소비되고 생성된 OH−의 양이 같기 때문에 남아 있습니다. 반응식은 다음과 같습니다:
Zn(s)
+
2
OH
–
(aq)
→
ZnO(s)
+
H
2
O(l)
+
2
e
–
[
E
oxidation
∘
=
+
1.28
V
]
Zn(s)+2OH
–
(aq)→ZnO(s)+H
2
O(l)+2e
–
[E
oxidation
∘
=+1.28 V]
2
MnO
2
(s)
+
H
2
O(l)
+
2
e
–
→
Mn
2
O
3
(s)
+
2
OH
–
(aq)
[
E
reduction
∘
=
+
0.15
V
]
2MnO
2
(s)+H
2
O(l)+2e
–
→Mn
2
O
3
(s)+2OH
–
(aq)[E
reduction
∘
=+0.15 V]
종합 반응식:
Zn(s)
+
2
MnO
2
(s)
⇌
ZnO(s)
+
Mn
2
O
3
(s)
[
e
∘
=
+
1.43
V
]
Zn(s)+2MnO
2
(s)⇌ZnO(s)+Mn
2
O
3
(s)[e
∘
=+1.43 V]
이 배터리 화학을 실제 세계에 적용하면, 반응 동안 생성된 전자는 회로가 닫혔을 때 장치를 구동하는 데 사용됩니다.
