양극과 음극, Cathode와 Anode

 

양극과 음극

양극과 음극, Cathode와 Anode의 정의

 

배터리나 전기화학을 공부하다 보면 양극과 음극, cathode와 anode라는 개념이 등장합니다. 그리고 양극과 음극을 각각 영어로 표현하면 anode와 cathode로 표현됩니다. 여기서부터 혼돈이 시작됩니다. 양이온과 음이온은 각각 영어로 하면 cation과 anion으로 표현되는데 양극과 음극은 이와 반대로 표현됩니다.

 

또 양극은 말 그대로 양(Positive)을 표현한 것이니 (+)극을 가져야 할 것 같고 음극은 음(Negative)를 표현한 것이니 (-)극을 가져야할 것 같습니다. 하지만 여러 교재를 보다 보면 양극인데 (-)의 극성을 가지고, 음극인데 (+)의 극성을 가지는 경우가 있습니다.

 

왜 이렇게 헷갈리는 상황이 발생하는 것일까요? 이러한 상황은 양극과 음극의 용법이 올바르게 정립되지 않고 상황에 따라 다르게 사용되기 때문에 발생한 일입니다. 즉, 양극이라는 표현이 anode를 번역한 것인지, 또는 (+)극을 번역한 것인지 헷갈릴 수 있다는 뜻입니다.

 

일반적으로 Anode는 산화가 일어나는 전극이며 Cathode는 환원이 일어나는 전극이라고 정의하지만 이를 한글로 번역할 경우anode를 양극, cathode를 음극으로 표현하는 경우가 많습니다. 하지만 갈바니 전지(galvanic cell)와 전해전지(electrolytic cell)는 양극과 음극이 서로 반대로 표기되며 부호 또한 서로 다르기 때문에 문자 그대로만 생각하면 헷갈리기 쉬운 개념입니다. 이를 위해 근본적으로는 양극과 음극이라는 표현보다는 환원전극, 산화전극 또는 (+)극, (-)극으로 표현하는 것이 좋고 전자의 이동 방향을 근거로 이해할 필요가 있습니다. 이번 포스팅에서는 전기화학 셀(cell)에서 이 용어들의 차이점에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

Anode(산화전극)와 Cathode(환원전극) : 전류의 흐름으로 정의

 

Anode와 Cathode은 전기화학 셀에서 전류가 흐르는 방향에 의해 정의되는 개념입니다. 우리가 중학교 또는 고등학교 과학시간에 배웠던 바와 같이, 전류의 방향은 전하의 움직임을 나타내며 전자(음전하)가 움직이는 방향과 반대 방향으로 정의된다고 배웠습니다. 만약 양전하를 띄는 양이온 또는 양성자가 전하를 운반하여 생기는 전류의 방향은 양전하의 이동과 같은 방향이라고 생각할 수 있습니다. 다만 양전하를 이용하기 보다는 금속의 전자와 같은 음전하를 이용해 전류를 발생시키기 때문에 ‘전류의 방향은 전자의 방향과 반대방향이다’라고 배웠던 것입니다.

 

Cathode(환원전극, 캐소드)

 

• Cathode는 음전하로 하전 된 전극입니다.
• Cathode는 양이온 또는 양전하를 끌어 당깁니다.
• Cathode는 실질적으로 전자를 제공하는 역할을 하며 양전하를 받아 들일 수 있습니다.
• Cathode에서는 외부 회로로 전류가 흘러 나가는, 또는 외부 회로에서 전자가 들어오는 방향을 가집니다.

 

Anode(산화전극, 애노드)

 

• Anode는 양전하로 하전 된 전극입니다.
• Anode는 전자 또는 음이온을 끌어 당깁니다.
• Anode는 양전하를 생성하거나 또는 전자 수용체(electron acceptor) 일 수 있습니다.
• Anode에서는 외부 회로에서 전류가 들어오는, 또는 외부 회로로 전자가 나가는 방향을 가집니다.

 

Anode와 Cathode의 부호

 

전하는 Anode에서 Cathode로 또는 Cathode에서 Anode로 모두 흐를 수 있기 때문에 Anode는 상황에 따라 양전하뿐 아니라 음전하를 띨 수 있고 Cathode 또한 음전하뿐 아니라 양전하를 띨 수 있습니다. 즉, 1차 전지 또는 2차전지의 방전 과정과 2차 전지의 충전 또는 전기분해의 상황에서 anode와 cathode의 부호는 서로 반대방향의 부호를 가지게 된다는 뜻입니다.

 

리튬 이온 배터리의 충전과 방전

 

구체적으로 2차 전지(리튬 이온 배터리)의 방전 과정을 통해 anode와 cathode 및 각 전극의 부호를 살펴보겠습니다. 리튬 이온 베터리를 방전시키는 경우 흑연 내부에 삽입된 리튬 양이온(Li+이온)이 탈리되어 전해질을 따라 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 전극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 따라 리튬 코발트 산화물 전극으로 이동합니다. 전류의 방향은 전자의 이동방향과 반대이기 때문에 전류는 리튬 코발트 산화물 전극에서 흑연 전극으로 흐릅니다. 여기서 Li+ 이온, 즉 양이온을 잡아당기는 리튬 코발트 산화물 전극은 위의 정의에 따라 Cathode라고 할 수 있고 전류의 방향을 고려해 보아도 외부 회로로 전류가 흘러 들어오는 흑연 전극이 Anode라고 할 수 있습니다. 다시 말하면, 리튬 이온 배터리의 방전 시 Cathode는 (+)극을 가지는 리튬 코발트 산화물 전극이며 Anode는 (-)극을 가지는 흑연 전극임을 이해할 수 있습니다.

 

이제 이와 반대인 충전(또는 전기분해) 상황을 들어 설명해보겠습니다. 방전과 달리 충전시에는 외부에 전원(배터리)이 있으며 지금 충전하고 있는 배터리를 일종의 외부 회로로 생각할 수 있습니다. 충전 과정에서 리튬 코발트 산화물의 리튬 양이온(Li+)은 배터리 내 전해질을 통해 다시 흑연으로 이동하여 삽입되기 때문에, 배터리 내부의 전류 방향은 Li+의 이동 방향과 같은 리튬 코발트 산화물 전극에서 흑연 전극으로 흐른다고 생각할 수 있습니다. 이 전류는 외부 도선을 따라 흑연 전극에서 리튬 코발트 산화물 전극으로 흐릅니다. 앞서 Cathode와 Anode의 정의에 의하면, 외부로 전류가 나가는 흑연 전극이 Cathode가 되고 리튬 코발트 산화물 전극이 Anode가 됩니다. 여기서 항상 전원에 연결된 전류는 외부 회로를 따라 (+)극에서 (-)극으로 흐르기 때문에 배터리를 외부 회로로 생각한다면 리튬 코발트 산화물 전극이 (+)극, 흑연 전극을 (-)극이라고 할 수 있습니다. 다시 정리하면, 방전중일 때와는 달리 Cathode는 (-)극을 가지는 흑연 전극이며 Anode는 (+)극을 가지는 리튬 코발트 전극임을 알 수 있습니다. 이는 아래의 표와 그림에 정리되어 있습니다.

 

Cathode, Anode 및 양극(+)과 음극(-)의 비교

 

즉, 양극 또는 음극으로 번역하면 충전 및 방전시 (+)극과 (-)극을 전혀 반영하지 못하여 굉장히 헷갈리는 상황이 만들어진다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 헷갈리는 상황을 방지하기 위해서는 하전되어 있는 전하, 즉 (+)와 (-)를 기억하기보다는 전자의 이동 방향(Cathode는 Cell 내에서 양전하를 끌어당기며 Anode는 음전하를 끌어당긴다는 사실)을 기억하면 됩니다.