[전지 전압의 비밀] 리튬·구리·아연의 전압 차이와 이온화 경향, 쉽게 이해하기

왜 리튬 전지는 3.7V, 아연 전지는 1.5V일까요?
같은 전지인데도 전압이 다르게 나오는 이유는 바로 전극 물질의 성질에 있습니다.
오늘은 전압이 어떻게 결정되는지, 리튬·구리·아연의 전압 차이, 그리고 이온화 경향과 전압의 관계를 이해하기 쉽게 풀어드립니다.

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목차

1. 전압이란 무엇인가?
2. 전압은 전자의 양이 아니라 에너지 차이
3. 전극 물질이 전압을 결정하는 원리
4. 리튬·구리·아연 전압 차이 비교
5. 이온화 경향과 전압의 관계
6. 리튬이 전압이 높은 이유
7. 핵심 정리

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1. 전압이란 무엇인가?

• 전압(Volt) = 전하가 가지는 위치 에너지 차이
• 단위: 1V = 1J(줄) / 1C(쿨롱)
• 전압은 전하를 움직이는 전기장의 ‘세기’가 아니라, 전하 1쿨롱당 에너지 차이를 나타냅니다.

💡 비유
전압 = 물탱크의 높이 차
전류 = 파이프를 흐르는 물의 양

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2. 전압은 전자의 양이 아니라 에너지 차이

• 전지를 키운다고(전극 크기·전해질 양 증가) 전압이 커지지 않습니다.
• 전압은 전자의 개수가 아니라 전자의 한 개당 에너지 차이로 결정됩니다.
• 전자의 양이 많아지면 전류는 커져도, 전압은 변하지 않습니다.

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3. 전극 물질이 전압을 결정하는 원리

• 전지는 두 전극 재료의 전위차로 전압이 결정됩니다.
• 전위차 = 두 전극이 전자를 잃거나 얻는 경향(전극 전위)의 차이
• 전극 전위 차이가 클수록 전자가 이동할 때 방출하는 에너지가 크고, 전압이 높아집니다.

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4. 리튬·구리·아연 전압 차이 비교

전지 종류	전극	전위차	(이론)1셀 전압특징
리튬 전지	약 3.6~3.7V	높음	에너지 밀도 매우 높음
아연-망간 건전지	약 1.5V	낮음	저렴하고 안정적
구리-아연 전지(다니엘 전지)	약 1.1V	낮음	실험용 전지 대표

 

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5. 이온화 경향과 전압의 관계

• 이온화 경향: 금속이 전자를 잃고 양이온으로 변하려는 성질
• 금속마다 전자를 내놓는 힘과 받는 힘이 다르기 때문에 전압이 달라집니다.
• 전압은 단순히 “이온이 많이 생기면 커진다”가 아니라, 전자를 잃고 얻는 경향 차이가 클수록 커집니다.

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6. 리튬이 전압이 높은 이유

1. 전자 배치
   • Li: 1s² 2s¹ → 바깥 전자가 1개뿐 → 잃으면 안정한 헬륨 구조
2. 원자 반지름
   • 바깥 전자가 핵에서 멀리 있어 결합력이 약함
3. 유효 핵전하(Z_eff)
   • 내부 전자가 핵 전하를 잘 가려서 바깥 전자가 느슨하게 묶임
4. 이온화 에너지
   • Li: 520 kJ/mol (매우 낮음) → 전자를 쉽게 방출

💡 그래서 리튬 전지는 같은 크기의 전지라도 셀당 전압이 3.7V나 됩니다.

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7. 핵심 정리

• 전압은 힘이 아니라 전위차(에너지 차이)
• 전압은 전자의 양이 아니라 전극 재료의 화학 성질이 결정
• 리튬은 전자를 내놓는 경향이 매우 커서 전압이 높음
• 아연·구리보다 리튬이 높은 전압을 갖는 이유는 전자 배치·원자 크기·이온화 에너지 때문

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