전극

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1. 개요
2. 전극의 정의 및 종류
3. 전극 반응 및 효율
4. 전극의 제조
5. 전극의 응용
- 5.1. 리튬 이온 배터리 전극
- 5.2. 기타 응용
참조

1. 개요

전극은 전지에서 필수적인 부분으로, 전류를 외부 회로로 전달하거나 외부 회로에서 전류를 받아들이는 역할을 한다. 전극은 전기화학 전지, 전기분해, 다이오드 등 다양한 분야에서 사용되며, 양극과 음극으로 구분된다. 전극의 종류는 일차 전지, 이차 전지, 연료 전지 등 다양하며, 사용되는 재료와 형태에 따라 전극의 효율이 달라진다. 리튬 이온 배터리, 아크 용접, 의료 기기 등 다양한 분야에 응용된다.

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공은 금속으로 제작된 타악기로, 다양한 문화권에서 의식, 신호, 음악 연주 등에 사용되며, 형태와 용도에 따라 여러 종류로 나뉜다.
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국무회의는 대한민국 대통령을 의장으로, 예산, 법률안, 외교, 군사 등 국정 현안을 심의하는 중요한 기관이며, 대통령, 국무총리, 국무위원으로 구성되고, 정례회의는 매주 1회, 임시회의는 필요에 따라 소집된다.
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전극
기본 정보
정의	회로의 비금속 부분과 접촉하는 데 사용되는 전기 전도체
어원
그리스어	ḗlektron (호박) + hodós (길)

2. 전극의 정의 및 종류

전극은 전지에서 필수적인 부분이다. 최초의 전기화학 전지는 알레산드로 볼타가 고안한 볼타 전지이며, 구리와 아연 전극을 소금물에 적신 종이 원판으로 분리한 층으로 구성되었다.^[2] 그러나 볼타 전지는 전압 변동으로 인해 실용적이지 못했다. 1839년에 발명된 다니엘 전지는 최초의 실용적인 전지로, 아연-구리 전극 조합을 사용했다. 그 이후로 다양한 재료를 사용한 다양한 전지가 개발되었다.

전극은 외부 회로와의 연결 방식 및 전하 이동 방향에 따라 다음과 같이 분류된다.

양극 (Anode): 외부 회로에서 전류가 유입되거나 전해질에서 전극으로 양전하가 이동하는 전극이다. 산화 반응이 일어난다.
음극 (Cathode): 외부 회로로 전류가 유출되거나 전해질에서 전극으로 양전하가 이동하는 전극이다. 환원 반응이 일어난다.

마이클 패러데이가 명명한 양극과 음극은 그리스어로 입구를 뜻하는 'anodos'와 출구를 뜻하는 'cathodos'에서 유래한다.

전위의 높낮이에 따라 극성을 정의할 때는 다음과 같은 용어를 사용한다.

정극: 전위가 높은 쪽 전극
부극: 전위가 낮은 쪽 전극

정극/부극과 양극/음극은 전지와 전기분해에서 서로 반대로 대응된다.

전기 분해(이차 전지 충전)의 경우: 정극 = 양극, 부극 = 음극
전지(이차 전지 방전)의 경우: 정극 = 음극, 부극 = 양극

이러한 혼란을 피하기 위해 고등학교 화학에서는 전지의 경우 "정극·부극", 전기 분해의 경우 "양극·음극"이라고 부른다.

2. 1. 양극과 음극

전위가 더 높은 쪽의 전극을 양극(陽極, positive electrode)이라고 하고, 전류가 흐를 때 전위가 낮은 쪽의 전극을 음극(陰極, negative electrode)이라고 한다.

전극은 모든 전지에서 필수적인 부분이다. 최초의 전기화학 전지는 알레산드로 볼타가 고안한 볼타 전지이다.^[2] 이 전지는 구리와 아연 전극을 소금물에 적신 종이 원판으로 분리한 층으로 구성되었다. 최초의 실용적인 전지는 1839년에 발명되어 존 프레드릭 다니엘의 이름을 따서 다니엘 전지라고 명명되었다. 그 이후로 다양한 전지가 개발되었는데, 이들은 모두 양극과 음극을 사용한다.

'애노드(anode)'라는 용어는 마이클 패러데이의 요청에 따라 윌리엄 휴얼이 만들었으며, 그리스어 ἄνο (ano, '위쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다.^[3] 애노드는 전기화학 전지(battery)의 전기 회로에서 비금속 전지로 일반적인 전류가 들어오는 전극이다. 벤저민 프랭클린은 전기 흐름이 양극에서 음극으로 이동한다고 추측했다.^[4]

음극은 여러 면에서 양극과 반대이다. 휠웰이 만든 이 이름은 그리스어 κάτω (kato, '아래로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다. 음극은 양극이며, 전자가 전기 회로를 통해 음극으로 들어가 전기화학 전지의 비금속 부분으로 이동한다는 것을 의미한다. 음극에서는 환원 반응이 일어나며, 음극에 연결된 전선에서 온 전자가 산화제에 의해 흡수된다.

다양한 일회용 배터리: 9V 배터리 두 개, AAA 배터리 두 개, AA 배터리 두 개, C 배터리 하나, D 배터리 하나, 무선 전화 배터리 하나, 캠코더 배터리 하나, 2미터 휴대용 아마추어 무선 배터리 하나, 단추형 배터리 하나

일차 전지는 한 번 사용한 후 버리도록 설계된 배터리이다. 알칼리 건전지가 그 예시이며, 아연 양극과 이산화망간 음극으로 구성된다.

이차 전지는 재충전이 가능하다. 최초의 이차전지는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테(Gaston Planté)가 발명한 납축전지였다.^[5] 이 유형의 전지는 자동차를 포함한 여러 분야에서 여전히 가장 널리 사용되고 있다.

전기화학(전기분해)이나 다이오드(진공관(이극관), 반도체 소자)에서는 외부 회로에서 전류가 유입되는(외부 회로에 전자가 유출되는) 전극을 양극(Anode)이라 하고, 외부 회로에 전류가 유출되는(외부 회로에서 전자가 유입되는) 전극을 음극(Cathode)이라 한다.

전기화학(전기분해, 전지)에서 전극에서 전해질로 양전하가 이동하는 전극(전해질에서 전자가 유입되는 전극)이 '''양극'''이고, 산화 반응이 일어난다. 전해질에서 전극으로 양전하가 이동하는 전극(전해질로 전자가 방출되는 전극)이 '''음극'''이고, 환원 반응이 일어난다.

양극, 음극이라는 용어는 패러데이에 의해 명명되었으며, 그리스어로 입구를 의미하는 'anodos'와 출구를 의미하는 'cathodos'에서 유래한다.

한편, 전위에 의해 극성을 정의하는 경우에는 전위가 높은 쪽을 '''정극''', 낮은 쪽을 '''부극'''이라 한다. 정극/부극과 양극/음극은 전지와 전기분해에서 대응이 반대가 된다.

전기분해의 경우(이차전지 충전의 경우): 정극 = 양극, 부극 = 음극
전지의 경우(이차전지 방전의 경우): 정극 = 음극, 부극 = 양극

'''양극''', '''음극'''이라는 용어는 전류의 방향(산화·환원의 방향)에 따른 것과 전위의 고저에 따른 방식이 있어 혼란스럽다. 이에 비해, '''정극''', '''부극'''이라는 용어는 전위의 높고 낮음을 구분하는 용어로 자리 잡고 있다. 고등학교 화학에서는 전지의 경우 "정극·부극", 전기분해의 경우 "양극·음극"이라고 부른다.

'''양극(Anode)'''
* 전자가 빼앗기고, 산화 반응이 일어난다. 전위가 높은 '''플러스극'''이 된다.
'''음극(Cathode)'''
* 전자가 공급되고, 환원 반응이 일어난다. 전위가 낮은 '''마이너스극'''이 된다.
'''양극'''(='''카소드''')
* 전지에 전자가 공급되고, 환원 반응이 일어나는 '''카소드'''가 된다.
'''음극'''(='''아노드''')
* 전지의 전자가 빼앗기고, 산화 반응이 일어나는 '''아노드'''가 된다.

'''양극'''·'''음극''' 용어는 전류의 방향(산화·환원 방향)에 기반한 '''아노드'''·'''카소드'''의 직역으로 사용하는 방식과, 전위가 높은·낮은('''양극'''·'''음극''')의 의미로 사용하는 방식이 있다. 혼란을 피하기 위해 전지에 대해서는 양극·음극을 사용하지 않는 것이 좋다. 전기분해에 대해서도, 양극·음극, 아노드·카소드 용어만을 사용하고, 양극·음극 용어를 사용하지 않는 방식도 있다.^[42]

2. 2. 전기화학에서의 양극과 음극

전기화학에서 '''양극'''(陽極, positive electrode)은 두 개의 전극 중 전위가 더 높은 쪽을 가리키며, '''음극'''(陰極, negative electrode)은 전위가 낮은 쪽 전극을 말한다. 마이클 패러데이의 요청으로 윌리엄 휴얼이 '애노드(anode)'라는 용어를 만들었는데, 이는 그리스어 ἄνο (ano, '위쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다.^[3] 벤저민 프랭클린은 전기 흐름이 양극에서 음극으로 이동한다고 추측했다.^[4]

전극은 모든 전지의 필수적인 부분이다. 최초의 전기화학 전지는 알레산드로 볼타가 고안한 볼타 전지이다.^[2] 구리와 아연 전극을 소금물에 적신 종이 원판으로 분리한 층으로 구성되었으나, 볼타 전지가 제공하는 전압의 변동으로 인해 실용적이지 못했다. 최초의 실용적인 전지는 1839년에 발명된 다니엘 전지이며, 아연-구리 전극 조합을 사용했다.

음극은 양극과 반대이다. 휠웰이 만든 이 이름은 그리스어 κάτω (kato, '아래로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다. 음극에서는 환원 반응이 일어나며, 음극에 연결된 전선에서 온 전자가 산화제에 의해 흡수된다.

일차 전지는 한 번 사용 후 버리는 배터리이다. 전극에서 일어나는 전기화학 반응이 가역적이지 않기 때문이다. 알칼리 건전지는 아연 양극과 이산화망간 음극으로 구성되며, ZnO가 생성된다.

이차 전지는 재충전이 가능하다. 최초의 이차전지는 1859년 가스통 플랑테(Gaston Planté)가 발명한 납축전지였다.^[5] 음극은 이산화납(PbO2)으로, 양극은 고체 납으로 구성된다.

전기화학(전기분해, 전지)에서는 전극에서 전해질로 양전하가 이동하는 전극(전해질에서 전자가 유입되는 전극)이 '''양극'''이고, 산화 반응이 일어난다. 전해질에서 전극으로 양전하가 이동하는 전극(전해질로 전자가 방출되는 전극)이 '''음극'''이고, 환원 반응이 일어난다.

양극, 음극이라는 용어는 패러데이가 명명했으며, 그리스어로 입구를 의미하는 'anodos'와 출구를 의미하는 'cathodos'에서 유래한다.

전위에 의해 극성을 정의하는 경우에는 전위가 높은 쪽을 '''정극''', 낮은 쪽을 '''부극'''이라 한다. 정극/부극과 양극/음극은 전지와 전기분해에서는 대응이 반대가 된다.

전기분해의 경우(이차 전지 충전의 경우)
* 정극 = 양극, 부극 = 음극
전지의 경우(이차 전지 방전의 경우)
* 정극 = 음극, 부극 = 양극

고등학교 화학에서는 전지의 경우 "정극·부극", 전기분해의 경우 "양극·음극"이라고 부른다.

2. 3. 정극과 부극

전위가 높은 쪽을 '''정극''', 낮은 쪽을 '''부극'''이라 한다.

정극/부극과 양극/음극은 전지와 전기 분해에서 대응이 반대가 된다.

전기 분해(이차 전지 충전)의 경우: 정극 = 양극, 부극 = 음극
전지(이차 전지 방전)의 경우: 정극 = 음극, 부극 = 양극

이는 전기 분해에서는 정극으로 전류가 흘러 들어가고, 전지(방전)에서는 정극에서 전류가 흘러나오기 때문이다. 예를 들어 납축전지의 PbO₂극은 충전 시에도 방전 시에도 정극이지만, 충전 시에는 전류가 흘러 들어오는 양극에서 산화되고, 방전 시에는 전류가 흘러나오는 음극에서 환원된다.^[42]

'''양극''', '''음극'''이라는 용어는 전류의 방향(산화·환원의 방향)에 따른 것과 전위의 고저에 따른 방식이 있어 혼란스럽다. 이에 비해 '''정극''', '''부극'''이라는 용어는 전위의 높고 낮음을 구분하는 용어로 자리 잡고 있다. 고등학교 화학에서는 전지의 경우 "정극·부극", 전기 분해의 경우 "양극·음극"이라고 부른다.^[42]

3. 전극 반응 및 효율

전극 반응은 마커스 이론을 통해 설명할 수 있다. 마커스 이론은 전자가 한 화학종에서 다른 화학종으로 이동하는 속도를 설명하며, 전극에서는 전자가 용매 내의 어떤 종으로, 또는 그 반대로 '이동'하는 것을 다룬다. 전극의 효율은 전극의 물리적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 이는 주로 전극의 재료와 형태에 따라 결정된다.

전극 재료로는 금속, 반도체, 흑연, 전도성 고분자 등 전도성을 가진 물질이 사용될 수 있다. 전극은 활성 물질, 전도제, 바인더 등 여러 재료의 조합으로 구성되기도 한다.

전기화학 전지의 효율은 자기방전 시간, 방전 전압, 사이클 성능 등으로 평가되며, 전극의 전기 저항률, 비열용량(c_p), 전극 전위, 경도 등이 이러한 효율을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

일반적으로 사용되는 전극 재료의 특성 값은 다음과 같다.^[13]

일반적인 전극 특성
특성	리튬 (Li)	망간 (Mn)	구리 (Cu)	아연 (Zn)	흑연
저항률 (Ωm)	8.40e-8	1.44e-6	1.70e-8	5.92e-8	6.00e-6
전극 전위 (V)	-3.02	-1.05	-0.340	-0.760	-
경도 (HV)	<5	500	50	30	7-11
비열용량 (J/(gK))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

전극 표면 형태 또한 전극 효율에 영향을 미치는데, 접촉 저항을 최소화하는 설계가 중요하다. 전극의 기계적 충격으로 인한 파손은 전도성 저하 및 전해질 누출로 이어질 수 있다.^[33] 작동 중 이온 통합에 의한 부피 변화는 격자 변형과 응력을 발생시켜 전극 파괴 및 성능 저하를 유발할 수 있다.^[34]^[35] 기계적 응력은 화학적 퍼텐셜에도 영향을 미쳐 확산 및 이온/전하 전달을 조절하는 계면에 영향을 주어 전반적인 효율을 저하시킨다.^[33]^[35]^[37]^[40]

3. 1. 전극 반응

마커스 이론은 노벨상 수상자인 루돌프 A. 마커스(Rudolph A. Marcus)가 처음 개발한 이론으로, 전자가 한 화학종에서 다른 화학종으로 이동하는 속도를 설명한다.^[6] 본 문서에서는 이를 전극에서 용매 내의 어떤 종으로, 또는 그 반대로 '이동'하는 것으로 볼 수 있다.

전자를 주개(D)에서 받개(A)로 전달하는 전달률을 계산하는 문제로 나타낼 수 있다.

: D + A → D⁺ + A⁻

계의 퍼텐셜 에너지는 반응 종과 주변 매질의 분자(반응 좌표라고 총칭함)의 병진, 회전 및 진동 좌표의 함수이다. 오른쪽 그림의 가로축은 이러한 좌표를 나타낸다. 고전적인 전자 전달 이론에서, 비단열 과정과 포물선형 퍼텐셜 에너지를 가정하면, 교차점(Q_x)을 찾아 반응 속도 상수(반응 확률)의 표현식을 계산할 수 있다. 마커스가 이 이론을 제시할 때 언급했듯이 중요한 점은 전자 전달은 에너지 보존 법칙과 프랭크-콘돈 원리를 따라야 한다는 것이다.

이를 수행하고 재배열하면 전체 반응의 자유 에너지(

\Delta G^{0}

)에 대한 활성화 자유 에너지(

\Delta G^{\dagger}

)의 표현식은 다음과 같다.

\Delta G^{\dagger} = \frac{1}{4 \lambda} (\Delta G^{0} + \lambda)^{2}

여기서

\lambda

는 재배열 에너지이다.

이 결과를 고전적으로 유도된 아레니우스 방정식

k = A\, \exp\left(\frac{- \Delta G^{\dagger}}{kT}\right),

에 대입하면 다음과 같다.

k = A\, \exp\left[{\frac {-(\Delta G^{0} + \lambda)^{2}}{4 \lambda k T}}\right]

A는 보통 실험적으로 결정되는 지수 전 인자이다.^[7] 비록 반고전적 유도가 아래에서 설명하듯이 더 많은 정보를 제공하지만 말이다.

이 고전적으로 유도된 결과는

\Delta G^{\dagger} = \lambda

조건 하에서 최대 전자 전달 속도가 관찰되는 현상을 정성적으로 재현했다.^[8] 보다 광범위한 수학적 취급을 위해서는 Newton의 논문을 참조할 수 있다.^[9] 이 결과에 대한 해석과

\lambda

의 물리적 의미에 대한 자세한 내용은 Marcus의 논문을 참조할 수 있다.^[10]

현재 상황은 변위된 조화 진동자 모델을 사용하여 더 정확하게 설명할 수 있으며, 이 모델에서는 양자 터널링이 허용된다. 이는 절대 영도에 가까운 온도에서도 전자 전달이 여전히 일어나는 이유를 설명하는 데 필요하다.^[11] 이는 고전 이론과 모순된다.

유도 방법에 대한 자세한 설명 없이, 이는 시간 의존적 섭동 이론의 페르미의 황금률을 계의 전체 해밀토니안과 함께 사용하는 데 기반을 두고 있다. 반응물과 생성물(화학 반응의 왼쪽과 오른쪽)의 파동 함수의 중첩을 살펴보고, 따라서 그들의 에너지가 같을 때 전자 전달을 허용하는 것이 가능하다. 앞서 언급했듯이 에너지 보존 법칙이 지켜지는 경우에만 이러한 일이 일어나야 한다. 몇 가지 수학적 단계를 건너뛰면 다음 공식을 사용하여 전자 전달 확률을 계산할 수 있다(다소 어렵지만).

w_{ET}= \frac{|J|^{2}}{\hbar^{2}}\int_{-\infty}^{+\infty}dt\, e^{-i \Delta Et / \hbar - g (t)}

여기서

J

는 두 상태(반응물과 생성물) 사이의 상호 작용을 설명하는 전자 결합 상수이고,

g(t)

는 선 모양 함수이다. 이 표현식의 고전적 한계, 즉

\hbar \omega \ll k T

를 취하고 일부 치환을 하면 예상대로 고전적으로 유도된 공식과 매우 유사한 표현식이 얻어진다.

w_{ET} = \frac

3. 2. 마커스 이론

마커스 이론은 노벨상 수상자인 루돌프 A. 마커스(Rudolph A. Marcus)가 처음 개발한 이론으로, 전자가 한 화학종에서 다른 화학종으로 이동하는 속도를 설명한다.^[6] 전극에서는 전자가 용매 내의 어떤 종으로, 또는 그 반대로 '이동'하는 것으로 볼 수 있다.전자를 주개(D)에서 받개(A)로 전달하는 전달률은 다음과 같이 계산할 수 있다.: D + A → D⁺ + A⁻계의 퍼텐셜 에너지는 반응 종과 주변 매질의 분자(반응 좌표라고 총칭함)의 병진, 회전 및 진동 좌표의 함수이다. 오른쪽 그림의 가로축은 이러한 좌표를 나타낸다. 고전적인 전자 전달 이론에서, 비단열 과정과 포물선형 퍼텐셜 에너지를 가정하면, 교차점(Q_x)을 찾아 반응 속도 상수(반응 확률)의 표현식을 계산할 수 있다. 마커스가 이 이론을 제시할 때 언급했듯이 중요한 점은 전자 전달은 에너지 보존 법칙과 프랭크-콘돈 원리를 따라야 한다는 것이다.이를 수행하고 재배열하면 전체 반응의 자유 에너지(

\Delta G^{0}

)에 대한 활성화 자유 에너지(

\Delta G^{\dagger}

)의 표현식은 다음과 같다.

\Delta G^{\dagger} = \frac{1}{4 \lambda} (\Delta G^{0} + \lambda)^{2}

여기서

\lambda

는 재배열 에너지이다.

이 결과를 고전적으로 유도된 아레니우스 방정식

k = A\, \exp\left(\frac{- \Delta G^{\dagger}}{kT}\right),

에 대입하면 다음과 같다.

k = A\, \exp\left[{\frac {-(\Delta G^{0} + \lambda)^{2}}{4 \lambda k T}}\right]

A는 보통 실험적으로 결정되는 지수 전 인자이다.^[7]

이 고전적으로 유도된 결과는

\Delta G^{\dagger} = \lambda

조건 하에서 최대 전자 전달 속도가 관찰되는 현상을 정성적으로 재현했다.^[8] 보다 광범위한 수학적 취급을 위해서는 Newton의 논문을 참조할 수 있다.^[9] 이 결과에 대한 해석과

\lambda

의 물리적 의미에 대한 자세한 내용은 Marcus의 논문을 참조할 수 있다.^[10]

현재 상황은 변위된 조화 진동자 모델을 사용하여 더 정확하게 설명할 수 있으며, 이 모델에서는 양자 터널링이 허용된다. 이는 절대 영도에 가까운 온도에서도 전자 전달이 여전히 일어나는 이유를 설명하는 데 필요하다.^[11] 이는 고전 이론과 모순된다.

시간 의존적 섭동 이론의 페르미의 황금률을 계의 전체 해밀토니안과 함께 사용하는 데 기반을 두고 있다. 반응물과 생성물(화학 반응의 왼쪽과 오른쪽)의 파동 함수의 중첩을 살펴보고, 따라서 그들의 에너지가 같을 때 전자 전달을 허용하는 것이 가능하다. 앞서 언급했듯이 에너지 보존 법칙이 지켜지는 경우에만 이러한 일이 일어나야 한다. 전자 전달 확률을 계산하는 공식은 다음과 같다.

w_{ET}= \frac{|J|^{2}}{\hbar^{2}}\int_{-\infty}^{+\infty}dt\, e^{-i \Delta Et / \hbar - g (t)}

여기서

J

는 두 상태(반응물과 생성물) 사이의 상호 작용을 설명하는 전자 결합 상수이고,

g(t)

는 선 모양 함수이다. 이 표현식의 고전적 한계, 즉

\hbar \omega \ll k T

를 취하고 일부 치환을 하면 고전적으로 유도된 공식과 매우 유사한 표현식이 얻어진다.

w_{ET} = \frac

3. 3. 전극 효율

전극의 물리적 특성은 주로 전극의 재료와 형태에 따라 결정된다. 필요한 특성은 용도에 따라 다르므로 다양한 종류의 전극이 사용된다. 전극 재료로 사용될 수 있는 결정적인 특성은 전도성이다. 따라서 금속, 반도체, 흑연 또는 전도성 고분자와 같은 모든 전도성 물질을 전극으로 사용할 수 있다. 전극은 종종 각각 특정 역할을 하는 여러 재료의 조합으로 구성된다. 일반적인 구성 요소는 산화 또는 환원되는 입자 역할을 하는 활성 물질, 전극의 전도성을 향상시키는 전도제, 그리고 전극 내에서 활성 입자를 포함하는 데 사용되는 바인더이다. 전기화학 전지의 효율은 여러 가지 특성으로 평가되며, 중요한 양은 자기방전 시간, 방전 전압 및 사이클 성능이다. 전극의 물리적 특성은 이러한 양을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 전극의 중요한 특성은 전기 저항률, 비열용량(c_p), 전극 전위 및 경도이다. 물론 기술적 응용 분야에서는 재료의 비용도 중요한 요소이다.^[12] 일반적으로 사용되는 일부 재료의 상온(T = 293 K)에서의 이러한 특성 값은 아래 표에 나와 있다.

일반적인 전극 특성^[13]
특성	리튬 (Li)	망간 (Mn)	구리 (Cu)	아연 (Zn)	흑연
저항률 (Ωm)	8.40e-8	1.44e-6	1.70e-8	5.92e-8	6.00e-6
전극 전위 (V)	-3.02	-1.05	-0.340	-0.760	-
경도 (HV)	<5	500	50	30	7-11
비열용량 (J/(gK))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

전극의 표면 형태는 전극 효율을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 접촉 저항으로 인해 전극의 효율이 감소될 수 있다. 따라서 효율적인 전극을 만들기 위해서는 접촉 저항을 최소화하도록 설계하는 것이 중요하다.전지의 일반적인 고장 원인 중 하나는 전극 또는 시스템 용기가 파손되는 기계적 충격으로, 이는 전도성 저하 및 전해질 누출로 이어진다.^[33] 그러나 전극의 기계적 특성의 중요성은 주변 환경으로 인한 충돌에 대한 저항성을 넘어선다. 표준 작동 중에 이온이 전극에 통합되면 부피가 변한다. 리튬이온전지의 실리콘 전극은 리튬화 과정에서 약 300% 정도 팽창하는 것을 통해 이를 잘 보여준다.^[34] 이러한 변화는 격자 변형을 초래하고, 따라서 재료에 응력을 발생시킨다. 응력의 원인은 전극의 기하학적 제약이나 이온의 불균일한 도금 때문일 수 있다.^[35] 이 현상은 전극 파괴 및 성능 저하를 초래할 수 있으므로 매우 심각하다. 따라서 기계적 특성은 장수명 배터리를 위한 새로운 전극 개발에 매우 중요하다. 작동 중인 전극의 기계적 거동을 측정하기 위한 한 가지 전략은 나노인덴테이션을 사용하는 것이다.^[36] 이 방법은 전기화학 반응 중에 응력이 어떻게 변화하는지 분석할 수 있으므로 기계적 거동과 전기화학을 결합하는 가능한 경로를 평가하는 데 유용한 도구이다.전극의 형태에 영향을 미치는 것 이상으로, 응력은 전기화학 반응에도 영향을 미칠 수 있다.^[35]^[37] 화학적 구동력이 일반적으로 기계적 에너지보다 크지만, 리튬이온전지의 경우는 그렇지 않다.^[38] Larché 박사의 연구는 적용된 응력과 전극의 화학적 퍼텐셜 사이의 직접적인 관계를 확립했다.^[39] 탄성 제약의 변화와 같은 여러 변수를 무시하지만, 총 화학적 퍼텐셜에서 응력에 의해 유도된 탄성 에너지를 빼준다.:

\mu = \mu^o + k\cdot T\cdot\log (\gamma\cdot x)  + \Omega \cdot \sigma

이 식에서 '''μ'''는 화학적 퍼텐셜을 나타내며, '''μ°'''는 기준값이다. '''T'''는 온도를 나타내고 '''k'''는 볼츠만 상수이다. 로그 안의 항 '''γ'''는 활동도이고 '''x'''는 전극의 전체 조성에 대한 이온의 비율이다. 새로운 항 '''Ω'''은 모재 내 이온의 부분 몰 부피이고 '''σ'''는 시스템이 받는 평균 응력에 해당한다. 이 방정식의 결과는 화학적 퍼텐셜에 의존하는 확산이 추가된 응력의 영향을 받아 배터리 성능이 변한다는 것이다. 또한 기계적 응력은 전극의 고체 전해질 계면층에도 영향을 미칠 수 있다.^[33] 이온 및 전하 전달을 조절하는 계면은 응력에 의해 손상될 수 있다. 따라서 용액 내 더 많은 이온이 이를 재생성하는 데 소모되어 시스템의 전반적인 효율이 저하된다.^[40]

4. 전극의 제조

전극의 물리적 특성은 주로 재료와 형태에 따라 결정되며, 용도에 따라 다양한 종류가 사용된다. 전극 재료의 결정적인 특성은 전도성이다. 금속, 반도체, 흑연, 전도성 고분자 등 모든 전도성 물질은 전극으로 사용될 수 있다. 전극은 여러 재료의 조합으로 구성되는데, 일반적인 구성 요소는 산화 또는 환원되는 입자 역할을 하는 활성 물질, 전극의 전도성을 향상시키는 전도제, 활성 입자를 포함하는 데 사용되는 바인더이다.^[12]

일반적인 재료의 상온(T = 293 K)에서의 특성 값은 다음과 같다.^[13]

일반적인 전극 특성
특성	리튬 (Li)	망간 (Mn)	구리 (Cu)	아연 (Zn)	흑연
저항률 (Ωm)	8.40e-8	1.44e-6	1.70e-8	5.92e-8	6.00e-6
전극 전위 (V)	-3.02	-1.05	-0.340	-0.760	-
경도 (HV)	<5	500	50	30	7-11
비열용량 (J/(gK))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

전극의 표면 형태는 효율을 결정하는 데 중요하며, 접촉 저항은 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서 효율적인 전극을 만들기 위해서는 접촉 저항을 최소화해야 한다.

리튬이온 배터리 전극 제조는 다음과 같은 단계로 이루어진다.^[14]

1. 전극 구성 요소(활성 전극 입자, 바인더(결합제), 도전제)를 용매에 섞어 ‘전극 슬러리’를 만든다.

2. 전극 슬러리를 집전체(양극: 구리, 음극: 알루미늄)에 코팅한다.

3. 슬러리를 도포 후 건조하고 필요한 두께로 압축한다.

최종 효율은 전극 내부 구조에 의해 결정된다. 전극 성능을 결정하는 내부 구조의 중요 요소는 다음과 같다.^[15]

활성 물질과 도전제의 응집
활성 물질에 대한 도전제의 균일한 분포
집전체에 대한 전극의 부착
활성 물질의 밀도

이러한 특성은 전극 슬러리 제조에 영향을 줄 수 있다. 전극 슬러리가 균질해야 하며, 이를 개선하기 위한 연구가 진행 중이다.^[15]

5. 전극의 응용

전극은 리튬 이온 배터리를 비롯하여, pH나 표준 전위 등을 측정하는 수소 전극, 칼로멜 전극 등 다양한 분야에 응용된다.

또한, 다음과 같이 비금속 물체에 전류를 공급하여 변화시키거나, 여러 목적으로 전도도를 측정하는 데에도 사용된다.

연료 전지용 전극
뇌파 검사(뇌 활동 기록), 심전도 검사(심장 박동 기록), ECT(뇌 전기 자극), 제세동기(심장 자극 기록 및 전달) 등 의료 목적용 전극
생의학 연구에서 전기 생리학 기법에 사용되는 전극
감전 의자를 이용한 사형 집행용 전극
전기도금용 전극
아크 용접용 전극
방식 전류용 전극
접지용 전극
전기화학적 방법을 이용한 화학 분석용 전극
나노전기화학에서 고정밀 측정을 위한 나노전극
전기 분해용 불활성 전극(백금으로 제작)
막전극접합체
테이저 전기 충격 무기용 전극

5. 1. 리튬 이온 배터리 전극

리튬 이온 배터리는 흐름 전지의 일종이자 재충전이 가능한 이차 전지의 한 예이다. 갈바니 전지 또는 전해 전지로 모두 작용할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 유기 용매에 용해된 전해질 내 용질로 리튬 이온을 사용한다. 리튬 전극은 1913년 길버트 N. 루이스와 프레더릭 G. 키스에 의해 처음 연구되었다.^[17] 그 후 100년 동안 이러한 전극을 사용하여 최초의 리튬 이온 배터리를 제작하고 연구했다. 리튬 이온 배터리는 뛰어난 성능으로 인해 매우 인기가 많다. 휴대 전화와 전기 자동차 등에 사용된다. 인기가 많기 때문에 리튬 이온 배터리의 비용을 줄이고 안전성을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 리튬 이온 배터리의 필수적인 부분은 양극과 음극이므로, 이러한 전극의 효율성과 안전성을 높이고 비용을 줄이기 위한 많은 연구가 특히 진행되고 있다.^[18]

리튬 이온 배터리에서 양극은 삽입된 리튬 화합물(리튬과 다른 원소로 구성된 분자층으로 이루어진 다층 물질)로 구성된다. 화합물의 분자를 구성하는 일반적인 원소는 코발트이다.^[18] 자주 사용되는 또 다른 원소는 망간이다.^[18] 화합물의 최적 선택은 일반적으로 배터리의 용도에 따라 달라진다. 망간 기반 화합물에 비해 코발트 기반 화합물의 장점은 높은 비열용량, 높은 체적 열용량, 낮은 자가 방전율, 높은 방전 전압 및 높은 사이클 내구성이다. 그러나 코발트 기반 화합물을 사용하는 데는 높은 비용과 낮은 열 안정성과 같은 단점도 있다. 망간은 비슷한 장점과 낮은 비용을 가지고 있지만, 망간 사용과 관련된 몇 가지 문제점이 있다. 주요 문제는 망간이 시간이 지남에 따라 전해질에 용해되는 경향이 있다는 것이다. 이러한 이유로 코발트는 여전히 리튬 화합물에 가장 많이 사용되는 원소이다. 더 저렴하고 수명이 긴 리튬 이온 배터리를 만들 수 있는 새로운 재료를 찾기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.^[18] 예를 들어, 중국과 미국 연구원들은 초장 싱글월 탄소 나노튜브가 리튬인산철 양극을 크게 향상시킨다는 것을 보여주었다. 리튬인산철 입자를 안전하게 결합하는 고효율 전도성 네트워크를 생성함으로써, 단 0.5 wt.%의 복합체로 탄소 나노튜브를 전도성 첨가제로 첨가하면 양극은 0.5C에서 161.5mAh/g, 5C에서 130.2mAh/g의 속도 용량을 달성하는 동시에 2C에서 200 사이클 후에도 87.4%의 용량 유지를 유지한다.^[19]

대량 생산되는 리튬 이온 배터리에 사용되는 양극재는 탄소 기반(주로 흑연) 또는 스피넬형 티타늄산리튬(Li₄Ti₅O₁₂)으로 만들어진다.^[18] 흑연 양극재는 저렴한 가격, 긴 수명, 높은 에너지 밀도로 인해 많은 현대 상용 배터리에 성공적으로 적용되었다.^[20] 그러나 덴드라이트 성장 문제가 있으며, 배터리 단락 및 안전 문제를 야기할 위험이 있다.^[21] Li₄Ti₅O₁₂는 안정성과 우수한 속도 특성으로 양극재 시장 점유율이 두 번째로 높지만, 용량이 낮다는 어려움이 있다.^[22] 2000년대 초, 실리콘 양극재 연구가 활기를 띠기 시작하여 10년 동안 미래 리튬 이온 배터리 양극재의 가장 유망한 후보 중 하나가 되었다.^[27] 실리콘은 흑연 및 Li₄Ti₅O₁₂에 비해 가장 높은 중량 용량 중 하나이며, 높은 체적 용량도 가지고 있다. 또한 실리콘은 기생 리튬 반응 없이 적절한 개방 회로 전압에서 작동하는 이점이 있다.^[23]^[24] 그러나 실리콘 양극재는 리튬화(lithiation) 중 약 360%의 체적 팽창이라는 주요 문제가 있다.^[25] 이러한 팽창은 양극을 분쇄하여 성능 저하를 초래할 수 있다.^[26] 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 Si의 차원을 다양하게 연구했다.^[27] Si 나노와이어, Si 튜브, Si 시트에 대한 많은 연구가 개발되었다.^[27] 결과적으로 복합 계층적 Si 양극이 리튬 이온 배터리의 미래 응용 분야에 대한 주요 기술이 되었다. 2020년대 초, 미국에서 양극재 대량 생산을 위한 공장 건설과 함께 기술이 상용 수준에 도달하고 있다.^[28] 또한 금속 리튬은 양극의 또 다른 가능한 후보이다. 실리콘보다 높은 비용량을 자랑하지만, 매우 불안정한 금속 리튬을 사용하는 단점이 있다.^[29] 흑연 양극재와 마찬가지로 덴드라이트 형성은 금속 리튬의 또 다른 주요 제한 요소이며, 고체 전해질 계면이 주요 설계 과제이다.^[30] 결국 안정화된다면 금속 리튬은 가장 많은 전하를 저장하면서 가장 가벼운 배터리를 생산할 수 있을 것이다.^[29] 최근 몇 년 동안 연구원들은 전도성 첨가제로 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)의 사용에 대한 여러 연구를 수행했다. 이러한 SWCNT는 전자 전도를 유지하고, 안정적인 전기화학 반응을 보장하며, 사이클링 중 균일한 부피 변화를 유지하여 양극 분쇄를 효과적으로 줄이는 데 도움이 된다.^[31] ^[32]

전지의 일반적인 고장 원인 중 하나는 전극 또는 시스템 용기가 파손되는 기계적 충격으로, 이는 전도성 저하 및 전해질 누출로 이어진다.^[33] 그러나 전극의 기계적 특성의 중요성은 주변 환경으로 인한 충돌에 대한 저항성을 넘어선다. 표준 작동 중에 이온이 전극에 통합되면 부피가 변한다. 리튬 이온 전지의 실리콘 전극은 리튬화 과정에서 약 300% 정도 팽창하는 것을 통해 이를 잘 보여준다.^[34] 이러한 변화는 격자 변형을 초래하고, 따라서 재료에 응력을 발생시킨다. 응력의 원인은 전극의 기하학적 제약이나 이온의 불균일한 도금 때문일 수 있다.^[35] 이 현상은 전극 파괴 및 성능 저하를 초래할 수 있으므로 매우 심각하다. 따라서 기계적 특성은 장수명 배터리를 위한 새로운 전극 개발에 매우 중요합니다. 작동 중인 전극의 기계적 거동을 측정하기 위한 한 가지 전략은 나노인덴테이션을 사용하는 것이다.^[36] 이 방법은 전기화학 반응 중에 응력이 어떻게 변화하는지 분석할 수 있으므로 기계적 거동과 전기화학을 결합하는 가능한 경로를 평가하는 데 유용한 도구이다.

전극의 형태에 영향을 미치는 것 이상으로, 응력은 전기화학 반응에도 영향을 미칠 수 있다.^[35]^[37] 화학적 구동력이 일반적으로 기계적 에너지보다 크지만, 리튬 이온 전지의 경우는 그렇지 않다.^[38] Larché 박사의 연구는 적용된 응력과 전극의 화학적 퍼텐셜 사이의 직접적인 관계를 확립했다.^[39] 탄성 제약의 변화와 같은 여러 변수를 무시하지만, 총 화학적 퍼텐셜에서 응력에 의해 유도된 탄성 에너지를 빼준다.

:

\mu = \mu^o + k\cdot T\cdot\log (\gamma\cdot x)  + \Omega \cdot \sigma

이 식에서 '''μ'''는 화학적 퍼텐셜을 나타내며, '''μ°'''는 기준값이다. '''T'''는 온도를 나타내고 '''k'''는 볼츠만 상수이다. 로그 안의 항 '''γ'''는 활동도이고 '''x'''는 전극의 전체 조성에 대한 이온의 비율이다. 새로운 항 '''Ω'''은 모재 내 이온의 부분 몰 부피이고 '''σ'''는 시스템이 받는 평균 응력에 해당한다. 이 방정식의 결과는 화학적 퍼텐셜에 의존하는 확산이 추가된 응력의 영향을 받아 배터리 성능이 변한다는 것이다. 또한 기계적 응력은 전극의 고체 전해질 계면층에도 영향을 미칠 수 있다.^[33] 이온 및 전하 전달을 조절하는 계면은 응력에 의해 손상될 수 있다. 따라서 용액 내 더 많은 이온이 이를 재생성하는 데 소모되어 시스템의 전반적인 효율이 저하된다.^[40]

5. 2. 기타 응용

전극은 다양한 방법으로 비금속 물체에 전류를 공급하여 변화시키고, 여러 목적으로 전도도를 측정하는 데 사용된다. 예를 들면 다음과 같다.

연료 전지용 전극
의료 목적용 전극 (예: 뇌파 검사(뇌 활동 기록), 심전도 검사(심장 박동 기록), ECT(뇌 전기 자극), 제세동기(심장 자극 기록 및 전달))
생의학 연구에서 전기 생리학 기법에 사용되는 전극
감전 의자를 이용한 사형 집행용 전극
전기도금용 전극
아크 용접용 전극
방식 전류용 전극
접지용 전극
전기화학적 방법을 이용한 화학 분석용 전극
나노전기화학에서 고정밀 측정을 위한 나노전극
전기 분해용 불활성 전극(백금으로 제작)
막전극접합체
테이저 전기 충격 무기용 전극

참조

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