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과학 수행평가 자유탐구 보고서
알카라인전지와 망간건전지의 비교분석
2012
학 교
학 년
과 목
제출자
탐구동기
학교에서 폐건전지를 모아오라고 했을 때 집에 있는 폐건전지를 모아보니 긴 원통모양, 옆으로 굵은 모양, 사각기둥모양, 코인모양 등 여러 가지 모양과 크기를 지닌 폐건전지가 있었습니다. 생각해 보니 이들 건전지의 크기와 용량과 전류/전압에 무슨 관련이 있지 않을까 하는 생각이 들었습니다.
그래서 이들중 정격1.5V인 알카라인전지와 망간전지의 차이점과 수명에 대해서 알아보고 싶었습니다.
이론적 배경
건전지란
1877년 프랑스의 F. 르클랭셰가 기전력 1.5V 정도의 전지를 발명한 것이 시초인데, 10년 후에는 밀봉용기를 음극으로 하는 것으로 개량하였다. 전지의 외부에서 두 극을 도선으로 연결하면 전류는 전위가 높은 양극에서 도선을 통하여…(생략)
1. 같은 전압의 알카라인 전지와 망간전지의 +극과 극을 알루미늄호일로 연결한다.
2. 알류미늄 호일로 연결한 곳에 전선과 멀티미터기를 연결한다.
3. 전압이 0.0v가 될떄까지 30분마다의 전압 변화량을 기록한다.
4. 전압을 측정하면서 전압이 0.0v가 될 때까지 시간을 잰다.
5. 표로 정리한다
이 동결해 버리기 때문에, 모노메틸아민의 염산염전지(영하 45℃에서 동결) 등이 개발되어 있습니다.
1차전지
방전한 뒤 충전으로 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학반응을 하는 전지입니다. 대표적 1차전지에는 망간 건전지가 있으며 최근에는 알카라인전지가 많이 쓰입니다. 보통 1.5V 정도의 전압을 내지만, 수십 V의 전압에 이르는 것도 있습니다.
2차전지
한 번 쓰고 버리는 1차전지(일반 건전지)와 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지를 2차전지라고 합니다
노트북 컴퓨터와 휴대전화, 캠코더 등 들고 다니는 전자기기에 필수적으로 사용되고 부가가치가 높아 반도체 및 디스플레이와 함께 21세기 `3대 전자부품`으로 꼽힙니다
2차전지의 종류에는 납축전지와 리튬이온전지(폴리머전지)가 있습니다. 그중 납축전지는 양극에 과산화납, 음극에 해면상(海綿狀)으로 만든 납, 전해액에는 비중 1.2∼1.3의 황산을 넣은 것이며, 기전력은 약 2.1V, 방전시의 전압은 처음에는 약 2.0V, 방전최종시에는 약 1.8V가 됩니다. 방전을 계속하면 양극이나 음극이 모두 황산납으로 이행(移行)하고, 충전하면 원래의 상태로 되돌아갑니다. 충전방전의 횟수는 수백 회에서 1,000회 이상도 가능합니다. 1개의 전지의 부피를 크게 한 경우도 기전력의 값은 변하지 않으나, 얻을 수 있는 전류는 부피와 더불어 수십 A라도 얻을 수 있는 대형인 것도 있습니다.
또한 리튬이온 전지라는것도 있다 기존에 충전이 불가능했던 전지를 1차 전지라고 하고, 충전이 가능한 전지를 2차 전지라고 부릅니다. 리튬 이온 전지는 양극(리튬코발트산화물)과 음극(탄소) 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 하는 원리입니다. 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있습니다. 리튬 이온 전지 이후 등장한 리튬폴리머전지는 양극과 음극 사이에 액체가 아닌 고체나 겔 형태의 폴리머 재료로 된 전해질을 사용, 전기를 발생시키는 것으로 안정성이 높고 에너지 효율이 좋은 차세대 2차 전지입니다.
위의 내용의 재산권은 모두 네이버백과사전과 지식사전 및 두산백과사전에 있음을 밝힙니다
탐구과정
실험 계획
준비물
멀티미터기, 알루미늄호일, 1.5v 알카라인전지, 1.5v 망간전지, 전선, 초시계
실행방법
1. 같은 전압의 알카라인 전지와 망간전지의 +극과 극을 알루미늄호일로 연결한다.
2. 알류미늄 호일로 연결한 곳에 전선과 멀티미터기를 연결한다.
3. 전압이 0.0v가 될떄까지 30분마다의 전압 변화량을 기록한다.
4. 전압을 측정하면서 전압이 0.0v가 될 때까지 시간을 잰다.
5. 표로 정리한다
실험 결과정리
알카라인전지와 망간전지의 시간에 따른 전압변화량(표)
시간
알카라인전지(V)
망간전지(V)
00:30
1.21
1.24
01:00
1.29
1.33
01:30
1.31
1.14
02:00
1.24
1.18
02:30
1.28
1.07
03:00
1.32
0.96
03:30
1.22
0.89
04:00
1.16
0.67
04:30
1.28
0.0
05:00
1.10
0.0
05:30
0.0
0.0
알카라인전지와 망간전지의 시간에 따른 전압변화량(그래프)
알카라인 전지와 망간전지의 수명 비교
알카라인전지
망간전지
수명(같은 저항)
5:17
4:22
탐구결과
먼저 알카라인전지와 망간전지의 시간에 따른 전압변화량을 보았을 때 표와 그래프를 보면 알카라인전지는 처음부터 끝까지 1.1~1.3v대를 유지하였습니다. 그러나 망간전지는 어느 순간부터 점점 전압이 떨어지기 시작하였습니다. 그러나 처음 전압은 같았습니다. 이때 0.2~0.4v의 손실이 발생된 원인은 바로 전기에너지가 호일의 저항에 의하여 열에너지로 바뀌었기 때문입니다. 이 결과를 통하여 알게된 사실은 알카라인 전지가 망간전지보다 더 전압을 잘 유지하면서도 전압의 차이는 없었습니다. 그러므로 순간적이고 지속적인 출력을 내기 위해서는 망간건전지보다는 알카라인 건전지가 더 좋다는 결과를 알았습니다.
그리고 두 번째로 알카라인전지와 망간 전지의 수명을 비교하였을때는 알카라인전지가 망간전지보다 약 1시간 정도 더 오래갔습니다. 그래서 얻게 된 결과는 알카라인 건전지가 더 부피에 비해서 효휼적이고 오래가며 장시간 사용해야하는 시계나 mp3, 캠핑용 전등 등에는 알카라인 전지가 효휼적입니다. 하지만 부피도 크면서 효율이 없는 망간 건전지는 가격에서는 어떠한 전지보다 훨씬 값싸며 가격대비성능은 뛰어납니다.(1000원/8개)
결론 및 고찰
일단 결론은 알카라인전지가 더 효율적이고 부피를 많이 차지하지 않으며 무게도 적게 들고 지속적인 출력도 뛰어납니다. 다만 망간건전지는 효율적인 측면과 지속적인 출력은 매우 뒤처지지만 가격이 싸기 떄문에 많이 쓰입니다. 위의 결과를 종합하자면 알카라인건전지가 망간건전지 보다 성능이 뛰어나며 활용도도 높습니다.
그리고 이번 실험을 하다보니까 저의 머릿속에 박혀있는 고정관념을 없엘수 있던 것 같습니다. 지금까지는 대부분 전지의 용량이 크고 오래가는 것은 크기가 컷습니다. 하지만 이번 실험을 통하여 망간건전지는 초기에 나온 값싼전지이며 성능에 맞지 않게 크기만 크다는 것을 알았고 크기가 크다고 무조건 용량이 높은 것은 아니라는 것을 알았습니다. (다만 2차전지는 같은 종류일시 크기와 용양은 비례합니다.) 비록 자유탐구로 인한 실험이었습니다만, 나름 유익하고 재미있는 실험이었던 것 같습니다
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