배터리를 충전하면 무게가 늘어날까?


 배터리는 전기 장치에 전원을 공급하기 위해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 저장하고, 직류 전력을 생산하는 한 개 이상의 셀로 이루어진 장치를 말합니다. 여러 전자기기를 사용하는 현대인에게는 매우 익숙한 장치로 전자기기를 계속 사용하기 위해서는 주기적으로 배터리를 충전해줘야 하기 때문입니다.


스마트폰 충전

(충전 중)



 대표적으로 스마트폰을 하루에도 여러 번 충전할 겁니다. 이와 관련해서 충전 전후에 무게 변화가 있느냐는 질문이 수차례 왔습니다. 아무래도 충전(充電)이라는 단어가 무언가를 채워준다는 의미로 쓰여서 그런 듯싶습니다. 이 의문은 배터리의 원리를 알면 해결할 수 있으므로 원리를 알아보도록 하겠습니다.


 배터리에 관해서 이해하기 위해서는 양성자(+), 중성자, 전자(-), 전해질에 관한 개념이 필요합니다. 과학을 잘 몰라도 원자라고 들어봤을 겁니다. 원자는 물질을 구성하는 기본 입자로 원자핵(양성자·중성자)과 전자로 이루어졌습니다.


원자

(원자 ⓒwikipedia)


 전자는 이동할 수 있습니다. 전자가 빠져나가서 양전하를 띤 이온을 양이온이라고 하고, 전자가 들어와서 음전하를 띤 이온을 음이온이라고 합니다. 그리고 전해질은 이온이 흐르는 물질입니다. 여기까지 기본 개념을 이해했다면 다시 배터리로 가보겠습니다.



 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해질로 구성합니다. 이해를 돕기 위해 일차 전지를 예로 들면 음극에는 아연(Zn)판을, 양극에는 구리(Cu)판을 전해질(묽은 황산용액)에 담가 놓습니다. 그러면 음극의 아연이 산화하면서 아연 양이온과 전자를 내놓습니다.


일차전지 원리

(ZUM학습백과)


 양극과 음극을 전선으로 연결한 상태에서 작동하면 전자가 양극쪽으로 이동합니다. 음극에서 양극으로 전자가 이동하는 전류의 흐름이 생기면서 화학 에너지가 전기 에너지로 역할을 할 수 있게 됩니다.(분리막은 양극과 음극이 섞이지 않도록 분리해주는 역할을 합니다)


 그렇다면 이 흐름을 반대로 하면 어떻게 될까요? 전기 에너지를 화학 에너지로 되돌려서 다시 사용할 수 있게 되고, 이를 이차 전지라고 합니다. 그리고 우리는 이 상황을 "배터리가 충전됐다"고 표현합니다.



 조금 더 구체적으로 알아보겠습니다대부분 전자기기는 리튬 이온 배터리를 사용합니다양극은 리튬과 금속산소가 결합한 형태인 리튬코발트산화물로 구성되어 있고음극은 흑연으로 구성되어 있습니다그리고 전해질은 유기 액체를 사용합니다.



 우리가 기기를 사용하면 음극에서 양극으로 전자가 이동합니다. 반대로 충전할 때는 양극에서 음극으로 전자가 이동합니다. 여기서 주제의 의문을 해결할 수 있습니다. 보시다시피 전자가 이동하는 것 말고는 배터리에서 일어나는 일이 없으므로 무게 변화는 없습니다. 그러니까 폰으로 사진을 많이 찍는다고 폰이 무거워지는 일이 없듯이 말입니다.


다 쓴 배터리 구별 방법

(100%↔0%)


 근데 다 쓴 배터리를 구분하는 방법이라고 위와 같은 영상을 봤을 겁니다. 건전지를 5cm 높이에서 떨어뜨렸을 때 다 쓴 건전지는 높이 뛰어오른다는 내용인데, 가벼우니까 높이 떠오르는 게 아니냐고 생각한 사람이 있을 겁니다. 이는 전해액의 전기 분해 과정에서 내부에 가스가 발생했기 때문에 높이 뛰는 겁니다.


스마트폰 충전 무게


 여기까지 글의 결론은 다 나왔는데, 상대성 이론(E=mc^2)과 관련해서 배터리의 무게가 증가한다고 보는 경우가 있습니다. 그러니까 양극에서 음극으로 이동할 때 에너지가 증가하고, 에너지 질량 등가법칙에 따라서 에너지가 증가한 만큼 무게가 증가한다는 건데, 151보다 작은 수준입니다.



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