이 토병을 만든 조상들이 정전기에 대해 알고 있었든 아니든, 확실한 것은 고대 그리스인들도 그것을 확실히 알고 있었다는 점이다. 그들은 호박 조각을 문지르면 밝은 물체를 끌어당긴다는 것을 알고 있었습니다. 아리스토텔레스는 철과 금속을 끌어당기는 강력한 자기력을 지닌 광석인 자석에 대해서도 알고 있었습니다.

1780년 어느 날, 이탈리아 해부학자 갈바니가 개구리를 해부하던 중, 양손에 서로 다른 금속 기구를 쥐고 우연히 개구리의 허벅지를 동시에 건드리자 개구리 다리의 근육이 즉시 경련을 일으켰습니다. , 마치 전류에 의해 자극을 받은 것처럼 보이지만 금속 도구로 개구리를 만진 것만으로는 그러한 반응이 없었습니다. 갈바니는 이러한 현상이 동물의 몸 내부에서 생성되는 일종의 전기 때문에 발생한다고 믿었는데, 그는 이를 '생체전기'라고 불렀습니다. 갈바니는 1791년 이 실험의 결과를 논문으로 써 학계에 발표했다.

가바니의 발견은 물리학자들 사이에서 큰 관심을 불러일으켰고, 그들은 전류를 생성하는 방법을 찾기 위해 서둘러 갈바니의 실험을 반복했다. 이탈리아의 물리학자 볼타는 갈바니의 '생체전기' 이론이 바로 이 이론이라고 믿고 있다. 개구리 근육이 전류를 생성할 수 있는 이유는 아마도 근육에 있는 일종의 액체의 작용 때문일 것입니다. 그의 주장을 증명하기 위해 Volta는 두 개의 서로 다른 금속 조각을 다양한 용액에 담가서 테스트했습니다. 두 개의 금속 조각 중 하나가 용액과 화학적으로 반응하는 한, 금속 조각 사이에 전류가 생성될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

1799년 볼타는 아연판과 은판을 소금물에 담그고 두 금속을 연결하는 전선에 전류가 흐르는 것을 발견했습니다. 그래서 그는 여러 장의 아연판과 은판 사이에 플란넬이나 소금물에 적신 종이를 넣어서 납작하게 쌓아 놓았습니다. 양쪽 끝을 손으로 만져보면 강한 전류자극을 느낄 수 있습니다. Volta는 이 방법을 사용하여 세계 최초의 배터리인 "Volt stack"을 성공적으로 만들었습니다. 이 "볼트 스택"은 실제로 직렬로 연결된 배터리 팩입니다. 그것은 초기 전기 실험과 전신 기계의 동력원이 되었습니다.

이탈리아 물리학자 볼타는 갈바니의 실험을 여러 번 반복했습니다. 물리학자로서 그의 관심은 주로 개구리의 신경이 아닌 두 금속에 집중되었습니다. 갈바니가 발견한 개구리 다리의 경련 현상에 대해 그는 전기와 관련이 있을 것이라고 생각했지만, 개구리의 근육과 신경에는 전기가 존재하지 않는다고 믿었으며, 전기의 흐름은 접촉에 의해 발생하는 것일 수도 있다고 추측했습니다. 금속이 살아있는 동물이나 죽은 동물과 접촉하는지 여부에 관계없이 두 가지 다른 금속이 발생합니다. 실험에 따르면 두 개의 금속 조각이 판지, 린넨, 가죽 또는 기타 스펀지 같은 물질로 소금이나 알칼리성 물에 담가 있는 경우(물에 젖어 있는 경우에도) 분리되는 것으로 나타났습니다. 실험 성공) ) 두 개의 금속 조각을 금속 와이어로 연결하면 개구리 근육이 있든 없든 전류가 흐르게 됩니다. 이는 개구리의 조직에서는 전기가 생성되지 않으며, 개구리의 다리는 매우 민감한 검전기로만 기능한다는 것을 보여줍니다.

1836년 영국의 다니엘(Daniel)이 '볼타전지(voltaic pile)'를 개량했습니다. 그는 묽은황산을 전해액으로 사용해 배터리 분극 문제를 해결했고, 무분극이고 균형 잡힌 전류를 유지할 수 있는 최초의 아연-구리 배터리, 일명 '다니엘 배터리'를 만들었다. 이후 더 나은 탈분극 효과를 지닌 '분젠 배터리'와 '그로브 배터리'가 출시됐다. 그러나 이들 배터리는 시간이 지나면서 전압이 떨어지는 문제가 있다.

1860년 프랑스의 플랑테가 납을 전극으로 사용한 전지를 발명했다. 이런 종류의 배터리의 독특한 특징은 일정 기간 사용 후 배터리 전압이 떨어지면 역전류를 통과시켜 배터리 전압을 다시 상승시킬 수 있다는 것입니다. 이런 종류의 배터리는 재충전이 가능하고 반복적으로 사용할 수 있기 때문에 "축전지"라고 불립니다.

그러나 어떤 배터리든 두 개의 금속판 사이에 액체를 채워야 하기 때문에 운반이 매우 불편하다. 특히 배터리에 사용되는 액체는 황산이므로 매우 위험하다. 이동할 때.

1887년 영국인 헬레슨(Helleson)이 최초의 건전지를 발명했습니다. 건전지의 전해액은 페이스트(paste) 형태로 새지 않고 휴대가 간편하여 널리 사용되고 있다.

화학에너지, 빛에너지, 열에너지, 원자력 에너지 등을 직접 전기에너지로 변환하는 장치.

화학전지, 태양전지, 열전전지, 핵전지 등이 있다. 배터리는 일반적으로 화학 배터리를 말합니다.

배터리의 성능 매개변수에는 주로 기전력, 용량, 비에너지 및 저항이 포함됩니다. 기전력은 단위 양전하 1개가 전지 내부를 거쳐 음극에서 양극으로 이동할 때 전지의 비전기력(화학적 힘)이 한 일과 동일하다. 기전력은 전극 재료의 화학적 성질에 따라 달라지며 배터리 크기와는 아무런 관련이 없습니다. 배터리가 출력할 수 있는 총 충전량은 배터리 용량이며 일반적으로 암페어 시간으로 측정됩니다. 전지반응에서 반응물질 1kg이 생산하는 전기에너지를 전지의 이론비에너지라고 한다. 배터리의 실제 비에너지는 이론상의 비에너지보다 작습니다. 전지 내부의 반응물이 전지 반응에 따라 모두 진행되는 것은 아니며, 전지의 내부 저항으로 인해 기전력 저하도 발생하므로 비에너지가 높은 전지를 흔히 고에너지 전지라고 합니다. 배터리 면적이 클수록 내부 저항은 작아집니다.

일반적으로 사용되는 배터리에는 많은 종류가 있으며 주로 건전지, 축전지, 소형 마이크로 배터리입니다. 그 밖에 금속공기전지, 연료전지, 태양전지, 열전전지, 핵전지 등 기타 에너지 변환전지도 있다.

건전지 배터리는 가장 널리 사용되는 화학 배터리 중 하나입니다. 1865년 프랑스인 Leclanché는 볼타 배터리를 기반으로 탄소/이산화망간/염화암모늄 용액/아연 시스템으로 구성된 습식 배터리를 개발했습니다. 개발 후, 건전지 종류는 100가지가 넘습니다. 아연-망간 건전지 외에 마그네슘-망간 건전지, 아연-산화수은 건전지, 아연-산화은 건전지 등이 있습니다. 건전지는 산화, 환원 반응의 가역성이 매우 낮기 때문에 일반적으로 사용 후 양극 및 음극 활물질을 원래 상태로 복원하는 충전 방법을 사용할 수 없습니다. 따라서 건전지를 일차전지라고도 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 건전지는 아연망간건전지로 페이스트형, 판지형, 알카라인형, 적층형 등이 있다.

페이스트 아연-망간 건전지는 아연 실린더, 전기 페이스트 층, 이산화망간 양극, 탄소봉, 구리 캡 등으로 구성됩니다. 가장 바깥쪽 층은 배터리의 음극이자 용기인 아연 실린더입니다. 방전 과정에서 점차적으로 용해되며, 중앙에는 이 탄소 막대를 단단히 둘러싸고 있는 탄소 막대가 있습니다. 짙은 갈색 또는 검정색 이산화망간 분말과 전도성 물질(흑연 또는 아세틸렌 블랙)의 혼합물로 탄소봉과 함께 탄소 팩이라고도 하는 배터리의 양극 본체를 형성합니다. 물의 증발을 방지하기 위해 건조 셀의 상부를 파라핀이나 아스팔트로 밀봉합니다. 아연-망간 건전지가 작동할 때 전극 반응은 아연 전극: Zn→Zn2 +2e

탄소 전극:

판지 아연-망간 건전지는 페이스트 아연을 기반으로 합니다. -망간건전지를 개선하였습니다. 금속불순물이 포함되지 않은 두께 70~100 마이크론의 고급 크라프트지를 바탕으로 표면을 준비된 페이스트로 코팅한 후 건조하여 판지로 만들어 페이스트 아연망간건전지의 페이스트를 대체합니다. .전해질층. 판지 아연-망간 건전지의 실제 방전 용량은 일반 페이스트형 아연-망간 건전지보다 2~3배 더 높습니다. "고성능"이라고 표시된 건전지는 대부분 판지 유형입니다.

알칼리아연망간건전지의 전해질은 아연분말, 35% 수산화칼륨 용액, 카르복시메틸셀룰로오스나트륨 일부를 혼합하여 젤라틴화한 것이다. 수산화칼륨 용액은 어는점이 낮고 내부 저항이 작기 때문에 알칼리 아연-망간 건전지는 -20°C에서 작동하고 고전류에서 방전할 수 있습니다. 알칼리아연망간건전지는 40회 이상 충방전이 가능하지만, 충전 전 완전 방전(60~70% 용량 유지)이 불가능하고, 충전 기간 종료 시 충전 전류 및 전압이 필요하다. 엄격하게 통제하도록 합니다.

적층형 아연-망간 건전지는 여러 개의 소형 평면 단일 셀이 적층되어 구성됩니다. 각 단일 셀은 플라스틱 케이스, 아연 스킨, 전도성 필름, 분리지 및 탄소 케이크(양극)로 구성됩니다. 다이어프램 페이퍼는 전해질을 흡수하는 전분층이 표면에 있는 펄프 종이이며, 다이어프램 페이퍼의 상단은 카본 케이크입니다. 분리막은 페이스트형 배터리의 전기 페이스트층과 같아서 아연 스킨 음극과 카본 케이크 양극을 분리하는 역할을 합니다. 적층형 아연-망간 건전지는 원통형 페이스트 건전지의 직렬결합의 문제점을 제거한 것으로, 구조가 콤팩트하고 크기가 작고 부피 비용량이 크지만 저장 수명이 짧고 내부 저항이 크기 때문에 방전이 발생합니다. 전류가 너무 커서는 안 됩니다.

배터리는 충전을 통해 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장했다가 사용할 때 화학에너지를 전기에너지로 변환했다가 방출하는 화학전지다. 변환 과정은 되돌릴 수 있습니다. 배터리가 완전히 또는 부분적으로 방전되면 두 전극판의 표면에 새로운 화합물이 형성됩니다. 이때, 배터리에 적절한 역전류를 흘려주면 방전 과정에서 형성된 화합물을 원래의 상태로 환원시킬 수 있습니다. 이 과정을 충전이라고 합니다. 즉, 전기 에너지가 화학 에너지의 형태로 배터리에 저장됩니다. 배터리를 부하에 연결하고 외부 회로에 전류를 공급하는 과정을 방전이라고 합니다. 배터리의 충전과 방전 과정은 여러 번 반복될 수 있으므로 배터리를 2차전지라고도 합니다. 사용되는 전해질 용액에 따라 배터리는 산성과 알칼리성의 두 가지 범주로 구분됩니다. 양극판과 음극판에 사용되는 활물질에 따라 납전지에는 카드뮴-니켈, 철-니켈, 은-아연, 카드뮴-은 전지 등 여러 종류가 있습니다. 납산 배터리는 산성 배터리이고 마지막 4개는 알카라인 배터리입니다.

납축전지는 양극판군, 음극판군, 전해액, 용기로 구성된다. 충전된 양극판은 갈색 이산화납(PbO2)이고, 음극판은 회색 벨벳 납(Pb)입니다. 두 판을 농도 27~37%의 황산(H2SO4) 수용액에 담그면, 극성은 플레이트의 납이 황산과 화학적으로 반응하고 2가 납 양이온(Pb2)이 전해질로 이동하여 음극 플레이트에 두 개의 전자(2e-)를 남깁니다. 양극과 음극의 인력으로 인해 납 이온이 음극판 주위에 모이고, 양극판에는 전해질 내 물 분자의 작용으로 소량의 이산화납(PbO2)이 전해질 내부로 스며들게 되는데, 산소 이온은 물과 결합하여 이산화납 분자를 해리 가능하고 불안정한 물질인 수산화납[Pb(OH4])으로 만듭니다. 수산화납은 4가 납 양이온(Pb4)과 4개의 수산화물 라디칼[4(OH)-]로 구성됩니다. 4가 납 이온(Pb4)이 양극판에 남아 양극판을 양전하로 만듭니다. 음극판은 음전하를 띠기 때문에 두 판 사이에 일정한 전위차가 발생하는데, 이것이 바로 배터리의 기전력입니다. 외부 회로가 연결되면 전류는 양극에서 음극으로 흐릅니다. 방전 과정에서 음극판의 전자는 외부 회로를 통해 양극판으로 계속 흐릅니다. 이때 전해질 내부의 황산 분자는 양이온인 수소이온(H)과 음이온인 황산이온(SO42-)으로 이온화됩니다. ) 이온 전계력의 작용으로 두 이온은 각각 양극과 음극을 향해 이동합니다. 음극판에 도달한 후 황산염 음이온은 납 이온과 결합하여 황산납(PbSO2)을 형성합니다. 양극판에서는 외부 회로로부터 전자가 유입되어 4가 납 양이온(Pb4)과 결합하여 2가 납 이온(Pb2)을 형성하고, 즉시 양극판 근처의 황산염 음이온과 결합하여 양극 단자에 황산납을 형성합니다. 방전 과정에서 납축 배터리의 양극판과 음극판의 화학 반응은 다음과 같습니다.

배터리가 방전됨에 따라 양극판과 음극판이 모두 황화되고 동시에 황산이 발생합니다. 전해액의 비중은 점차 감소하고 수분은 증가하여 전해액의 비중이 감소하게 됩니다. 실제 사용에서는 전해액의 비중을 측정하여 배터리의 방전 정도를 판단할 수 있습니다. 정상적인 사용 조건에서 납산 배터리는 과방전되어서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 활성 물질과 혼합된 미세한 황산납 결정이 더 큰 몸체로 형성되어 플레이트의 저항을 증가시킬 뿐만 아니라 재충전도 어렵게 만듭니다. 충전 중 감소는 저장 탱크의 용량과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 납산 배터리 충전은 방전 과정의 역순입니다. 충전 중 총 화학 반응은 다음과 같습니다.

납축 배터리는 안정적인 작동 전압, 광범위한 작동 온도 및 작동 전류를 가지며 수백 사이클을 충전 및 방전할 수 있으며 우수한 저장 성능을 갖습니다(특히 건식 배터리에 적합). 전하 저장), 비용이 저렴하므로 널리 사용됩니다. 새로운 납합금을 사용하면 납축전지의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 납-칼슘 합금을 그리드로 사용하면 납산 배터리의 최소 부동 충전 전류를 보장하고 추가되는 물의 양을 줄이며 납-리튬 합금을 사용하여 양극 그리드 캔을 주조할 수 있으며 수명을 연장할 수 있습니다. 자체 방전을 줄이고 밀봉 필요성을 충족합니다. 또한, 개방형 납축전지를 밀폐형으로 점진적으로 변경하고 내산, 방폭, 수소고갈형 납축전지를 개발해야 한다.

알카라인 축전지는 같은 용량의 납축전지에 비해 크기가 작고 수명이 길며 고전류 방전이 가능하지만 가격이 더 비싸다.

알카라인 배터리는 판형 활물질에 따라 철-니켈, 카드뮴-니켈, 아연-은 배터리 시리즈로 구분됩니다. 니켈-카드뮴 배터리를 예로 들면 알카라인 배터리의 작동 원리는 다음과 같습니다. 배터리 플레이트의 활성 물질을 충전한 후 양극판은 수산화니켈[Ni(OH)3]이고 음극판은 금속입니다. 카드뮴(Cd); 방전이 종료되면 양극판은 수산화니켈[Ni(OH2)]로, 음극판은 수산화카드뮴[Cd(OH)2]로 바뀌며 수산화칼륨(KOH) 용액은 대부분 전해질로 사용됩니다. 충방전 과정에서 전체적인 화학반응을 보면

충방전 과정에서 화학반응을 보면 전해질은 전류의 운반체 역할만 하고 농도는 변하지 않는다는 것을 알 수 있다. 전압의 변화

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충방전 정도에 따라서만 판단할 수 있습니다. 카드뮴-니켈 밀봉형 배터리의 충전 과정에서 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 방출됩니다. 카드뮴-니켈 밀봉전지의 음극재를 제조하므로, 수소의 발생을 피하고 양극에서 생성된 산소가 전기화학적 작용으로 음극에 흡수되어 전지 내부에 가스가 축적되는 것을 방지하며, 따라서 밀봉된 조건에서 배터리가 정상적으로 작동하도록 보장합니다. 카드뮴-니켈 배터리는 원래 견인, 시동, 조명 및 신호 전원 공급 장치로 사용되었으며 현재는 디젤 기관차 및 항공기의 시동 및 점화 전원 공급 장치로 사용됩니다. 1960년대에 만들어진 밀폐형 배터리는 위성, 휴대용 전동공구, 비상 장비의 전원으로 사용됩니다. 니켈-카드뮴 배터리 개선 방향 중 하나는 바이폴라 구조를 채택하는 것인데, 이 구조는 내부 저항이 작고 펄스형 고전류 방전에 적합하여 고전력 장비의 전원 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 전극은 압축되거나 소결되며 호일 스타일입니다.

금속공기전지는 공기 중의 산소를 양극 활물질로, 금속을 음극 활물질로 사용하는 고에너지 전지이다. 사용되는 금속은 일반적으로 마그네슘, 알루미늄, 아연, 카드뮴, 철 등입니다. 전해질은 수용액입니다. 그중 아연공기전지는 이미 성숙한 제품이 됐다.

금속공기전지는 배터리 무게에 공기가 포함되지 않기 때문에 비에너지가 더 높다. 아연공기전지의 비에너지는 현재 생산되는 전지 중 최고 수준인 400와트·시/kg(Wh/kg)에 달하는 고성능 중전력 전지로, 고출력 전지로 발전하고 있다. 현재 생산되고 있는 금속공기전지는 주로 1차전지이며, 개발 중인 2차 금속공기전지는 대체 금속전극을 사용하는 기계식 이차전지이다. 금속공기전지는 작동 시 지속적인 공기 공급이 필요하기 때문에 밀폐된 상태나 공기가 부족한 환경에서는 작동할 수 없다. 또한, 배터리 내 전해질 용액은 공기 습도의 영향을 쉽게 받아 배터리 성능을 저하시키며, 공기 중의 산소가 공기 전극을 침투하여 금속 전극으로 확산되어 부식 배터리를 형성하고 자가 방전을 유발합니다.

연료전지는 화학원료를 지속적으로 공급받으면 화학반응이 일어나 화학에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 전해질 전지이다. 이러한 화학 원료가 배터리 내부에서 반응할 때(한 원료는 양극에 있고 다른 원료는 음극에 있음) 직접 반응하지 않도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 화학적 단락이 발생하여 전기 에너지를 얻을 수 없습니다. 반응. 연료전지에 적합한 화학반응은 주로 연소반응이며, 수소-산소 연료전지만이 실용화 단계에 진입했다. 수소-산소 연료전지는 귀금속 백금을 전극재료로 사용하기 때문에 가격이 너무 비싸 현재는 우주선의 동력원으로만 사용되고 있다. 연료전지는 변환효율이 높고, 비에너지가 높으며, 작동 중 소음과 오염이 없고, 구조가 간단합니다.

기타 에너지 변환 배터리에는 주로 다음이 포함됩니다. ① 태양 전지. 햇빛에너지를 빛에너지로 변환시키는 장치로 반도체로 이루어져 있다. 햇빛이 세포 표면에 닿으면 반도체 PN 접합의 양쪽에 전위차가 형성됩니다. 그 효율성은 10% 이상이다. ② 열전전지. 두 개의 금속을 폐쇄 루프로 연결하고 두 접합부에서 서로 다른 온도를 유지하면 루프에 열전 기전력이 생성됩니다. 이 장치를 열전대라고 합니다. 열전대를 직렬로 연결하여 열전 스택을 형성하면 열전 배터리가 형성됩니다. 열전전지는 온도차 효과가 강한 반도체 소재로도 만들 수 있다. ③핵전지. 원자력에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치를 원자력전지라고 한다.

일반적으로 베타선(고속 전자 흐름)을 방출하는 방사성 소스, 이러한 전자를 수집하는 집전체, 절연체의 세 부분으로 구성됩니다. 방사성원의 한쪽 끝은 음전하의 손실로 인해 양극이 되고, 집전체의 한쪽 끝은 음전하를 얻어 음극이 됩니다. 이런 종류의 핵전지는 전압은 높지만 전류는 낮습니다