전기화학 셀의 기본 개념 및 발전과정[갈바니 셀, 전해 셀]

 

전기화학 셀은 화학반응을 통해 전기를 생성하거나 전기를 이용해 화학반응을 일으키는 장치로, 크게 갈바니 셀(Galvanic Cell)과 전해 셀(Electrolytic Cell)로 구분된다. 이 두 종류의 셀은 에너지 변환 방식과 사용 목적에서 차이를 보이며 현대에도 널리 사용되고 있다.

1. 갈바니 셀(Galvanic Cell)

 

 

갈바니 셀은 화학반응이 자발적으로 진행되며, 이 과정에서 전기 에너지가 생성된다. 이는 배터리와 연료전지와 같은 장치에서 주로 사용되는데, 이 셀에서 발생하는 전기 에너지는 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하고, 이러한 전류는 다양한 전기적 장치를 구동하는 데 사용된다.

 

갈바니 셀은 두 개의 전극, 즉 양극(anode)과 음극(cathode), 그리고 이들 사이의 전해질로 구성되며, 이때 양극에서 산화 반응이 일어나 전자가 생성되고, 음극에서 환원 반응이 일어나 전자를 받들인다. 이

 

반응의 결과로 전류가 흐르게 되지만, 갈바니 셀에서 자발적으로 일어나는 화학반응은 종종 부식 현상을 일으키기도 하니 이에 대한 대책이 필수적이다.

2. 전해 셀(Electrolytic Cell)

전해 셀은 외부에서 전기 에너지를 공급하여 비자발적인 화학반응을 일으키는 장치다. 이러한 셀은 물의 전기분해, 금속 도금, 그리고 특정 화학 물질의 제조에 널리 사용된다, 전해 셀에서는 외부 전원을 통해 전류를 공급하여 전극 간의 반응을 촉진하고, 이 과정에서 양극과 음극의 역할은 갈바니 셀에서의 역할과 반대가 되고 산업전반에서 널리 활용하고 있다.

갈바니 셀의 발전 과정 : 볼타 전지와 다니엘 전지

 

전기화학 셀의 역사는 1800년대 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)에 의해 개발되었다. 볼타는 최초의 전기화학 셀 중 하나인 볼타 전지를 개발하으며, 구리와 아연 금속을 황산 수용액에 담가서 전기 에너지를 생성하는 장치였다. 

• 아연의 산화 반응: 아연 전극에서 아연이온(Zn²⁺)이 생성되고 전자가 방출되며, 이로 인해 아연 전극의 질량이 점차 감소함
• 구리의 환원 반응: 구리 전극에서는 구리이온(Cu²⁺)이 전자를 받아들여 구리 금속으로 환원되며, 구리 전극의 질량은 거의 변하지 않음

그러나, 볼타 전지는 작동 중에 분극 현상(polarization)이 발생하여 성능이 저하되었으며, 분극 현상은 전극 표면에 수소 가스가 축적되어 전극의 반응을 방해하는 현상이다.

 

이를 방지하기 위해 염다리(salt bridge) 또는 수소 제거제가 필요했지만 거기까지는 도달하지 못했고 1차 전지에 가까웠다.

다니엘 전지의 개선

볼타 전지의 단점을 개선한 것이 다니엘 전지(Daniell Cell)다. 다니엘 전지는 구리와 아연 전극을 각각의 수용액에 담그고, 이 둘을 염다리로 연결하여 전해질 사이의 전하 균형을 유지하는 방식을 사용했다. 

• 구리 이온의 지속적인 환원: 구리 전극에서의 환원 반응이 지속되면서, 전지의 전류가 안정적으로 흐르게 된다. 이 과정에서 구리 이온의 소모에 따른 전하 균형을 맞추기 위해 염다리로부터 추가적인 양이온이 공급
• 아연 이온의 지속적인 산화: 아연 전극에서의 산화 반응이 지속되며, 아연 이온의 축적에 따른 전하 불균형을 방지하기 위해 염다리로부터 음이온이 공급

염다리의 존재는 전해질 간의 이온 이동을 촉진하여 전지의 전하 균형을 유지하는 데 필수적이다. 또한, 염다리에서 사용되는 전해질은 전극과 반응하지 않는 물질이어야 하며, 그렇지 않으면 전지의 성능이 저하될 수 있다.

수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)

수소연료전지는 현대 전기화학 셀의 대표적인 응용 예 중 하나로, 갈바니 셀의 원리를 기반으로 하지만 더욱 고도화된 기술이다. 수소연료전지는 수소(H₂)와 산소(O₂)의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치다.

• 양극 반응: 수소 분자가 양극에서 촉매에 의해 전자와 양성자(수소이온, H⁺)로 분리
• 음극 반응: 생성된 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 이동하고, 이때 산소와 결합하여 물을 생성. 
• 총 반응: 수소와 산소가 결합하여 물과 함께 전기 에너지를 생성

수소연료전지는 배출가스가 물 뿐이며, 매우 높은 에너지 효율이 특징이다

전해 셀의 예시

 

 

전해 셀은 외부에서 전기를 공급하여 특정 화학반응을 일으키는 장치로, 여러 산업 분야에서 널리 사용된다. 

1. 물의 전기분해(Water Electrolysis): 물의 전기분해는 전해 셀의 가장 기본적인 응용 중 하나로, 물(H₂O)을 전기분해하여 수소(H₂)와 산소(O₂)를 생성하는 과정이다. 이 과정은 전해조(electrolyzer)에서 이루어지며, 전해조는 양극과 음극으로 구성되어 있습니다. 전류가 공급되면 양극에서는 산소가 발생하고, 음극에서는 수소가 발생한다. ​이 방법은 수소를 대량으로 생산하는 기술로 발전하여, 특히 그린 수소(green hydrogen) 생산에 사되고 있으며 그린 수소는 재생 가능한 에너지를 통해 생산되기 때문에 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있다.
2. 금속의 도금(Metal Electroplating): 전해 셀은 금속 도금에도 사용된다. 예를 들어, 구리 도금은 구리 이온(Cu²⁺)을 전해질에서 금속 구리로 환원하여 대상 물질의 표면에 구리를 코팅하는 과정이다. 이 과정은 음극에 도금하려는 물체를, 양극에 구리 막대를 사용하여 전기 에너지를 공급함으로써 이루어지며, 도금은 전자기기, 자동차 부품, 주얼리 등의 제조에서 활용 된합니다.
3. 염화나트륨의 전기분해(Sodium Chloride Electrolysis): 염화나트륨(NaCl)의 전기분해는 염소(Cl₂), 수산화나트륨(NaOH), 그리고 수소(H₂)를 생산하는 공정이다. 이 과정은 클로르-알칼리 산업에서 핵심적인 역할을 하며, 이들 제품은 화학 산업의 기초 원료로 사용된다