스마트폰을 사용할 때 배터리 내부에서 일어나는 화학 반응은 산화-환원 반응이 잖아요. 전자가 어느 전극에서 어느 전극으로 이동하며 전류를 만드는지 전지의 기본 원리로 설명해 주세요.

Question

스마트폰을 사용할 때 배터리 내부에서 일어나는 화학 반응은 산화-환원 반응이 잖아요. 전자가 어느 전극에서 어느 전극으로 이동하며 전류를 만드는지 전지의 기본 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

스마트폰에 들어 있는 리튬이온 배터리는 기본적으로 산화-환원 반응을 이용해 전류를 만들어내는 장치입니다. 방전할 때를 기준으로 서술해 보겠습니다.

배터리의 음극(보통 흑연)은 리튬 원자를 저장하고 있는데, 스마트폰을 사용할 때는 이 리튬이 전자를 잃어 리튬 이온(Li⁺)으로 변합니다. 이 과정이 바로 산화 반응입니다. 전자를 잃은 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로로 빠져나가 스마트폰 내부 회로를 따라 흐르며 전류를 형성합니다.

한편 양극(리튬 금속 산화물)은 외부 회로에서 흘러 들어온 전자를 받아들이고, 전해질을 통해 도착한 리튬 이온과 결합합니다. 이것이 환원 반응입니다. 즉, 음극에서 전자가 방출되고 양극에서 전자가 받아들여지면서 전류가 흐르는 것입니다.

정리하면, 음극에서 산화가 일어나 전자가 외부 회로로 이동하고, 양극에서 환원이 일어나 전자가 받아들여지면서 전류가 만들어진다는 것이 전지의 기본 원리입니다. 리튬 이온은 내부 전해질을 통해 이동하며 전하 균형을 맞추고, 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 스마트폰을 작동시키는 에너지원이 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

스마트폰에 쓰이는 리튬이온 배터리는 기본적으로 산화–환원 반응을 이용해 전자의 흐름인 전류를 만들어내는 전지입니다. 우선 스마트폰을 사용하는 방전 상황에서는 음극에서 산화 반응이 일어나 전자가 생성되는데요, 리튬이온 배터리의 음극은 보통 흑연이 사용됩니다. 이때 여기에 저장되어 있던 리튬이 산화되면서 방출된 전자는 음극에 머무르지 못하고, 외부 회로를 따라 양극으로 이동합니다. 이 전자의 이동이 바로 우리가 사용하는 전류이며, 이 흐름을 통해 스마트폰의 각종 전자 부품이 작동하게 됩니다. 하지만 이처럼 전자만 이동하면 전하 불균형이 생기기 때문에, 이를 보상하기 위해 리튬 이온은 배터리 내부의 전해질을 통해 음극으로부터 양극 방향으로 이동합니다.

즉, 전자는 외부 회로로, 이온은 내부 전해질로 이동하면서 전체적인 전하 균형을 유지할 수 있는 것입니다. 또한 전자들이 외부 회로를 따라 양극에 도달하면, 양극에서는 환원 반응이 일어나 전자를 받아들이는데요, 예를 들어 리튬 코발트 산화물과 같은 양극 물질에서는 전자가 소비됩니다. 전체 반응에서 중요한 개념은 산화-환원 반응이라고 할 수 있는데요, 즉 이때 음극에서는 전자를 잃는 산화가 일어나고, 양극에서는 전자를 얻는 환원이 일어나며, 이 과정에서의 전자 이동이 전류를 만드는 것이라고 보시면 되겠습니다. 방전 다음으로 충전할 때는 이 과정이 반대로 진행되는데요, 즉 외부 전원인 충전기가 전자를 강제로 양극에서 음극으로 밀어 넣어주면, 리튬 이온도 다시 양극에서 음극으로 이동하면서 원래 상태로 돌아가는 것입니다. 감사합니다.