전극

전극(電極, electrode)은 전자 회로의 비금속 부분(예: 반도체, 전해질, 진공 또는 가스)과 접촉하는 데 사용되는 전기 전도체이다. 화학 전지에서 전극은 전지의 종류에 따라 다양한 물질(화학 물질)로 구성될 수 있는 필수 부품이다. 전극은 전극 간의 전위차와 관계없이 전류의 방향에 따라 캐소드 또는 애노드라고 불린다.

마이클 패러데이는 1833년에 "전극"(electrode)이라는 용어를 만들었다. 이 단어는 그리스어 ἤλεκ트로ν ( ḗlektron, "호박")과 ὁδός ( hodós, "길, 방법")에서 유래했다.

1762년 요한 빌케가 발명한 전기쟁반(electrophore)은 정전기 연구에 사용된 초기 형태의 전극이었다.^[1]

화학 전지의 애노드와 캐소드

전극은 모든 전지의 핵심 부품이다. 최초의 전기 화학 전지는 알레산드로 볼타에 의해 고안되었으며 적절하게 볼타 전지라고 명명되었다.^[2] 이 전지는 고염수에 적신 종이 디스크로 분리된 구리와 아연 전극의 적층으로 구성되었다. 볼타 전지에서 제공되는 전압의 변동 때문에 그다지 실용적이지는 않았다. 최초의 실용적인 전지는 1839년에 발명되었으며 존 다니엘의 이름을 따서 다니엘 전지라고 불렸다. 이것은 여전히 아연-구리 전극 조합을 사용했다. 그 이후로 다양한 재료를 사용하여 더 많은 전지가 개발되었다. 이 모든 것의 기초는 여전히 두 개의 전극인 애노드와 캐소드를 사용하는 것이다.

애노드

'애노드'(Anode)는 마이클 패러데이의 요청으로 윌리엄 휴얼이 만든 용어로, 그리스어 ἄνο (ano, '위쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다.^[3] 애노드는 화학 전지(배터리)의 전기 회로에서 비금속 전지로 관습적인 전류가 들어오는 전극이다. 그런 다음 전자는 배터리의 반대편으로 흐른다. 벤저민 프랭클린은 전기 흐름이 양극에서 음극으로 이동한다고 추측했다.^[4] 전자는 애노드에서 멀어지는 방향으로 흐르고 관습적인 전류는 애노드를 향해 흐른다. 양쪽 모두에서 애노드의 전위가 음의 값임을 결론지을 수 있다. 애노드로 들어오는 전자는 그 옆에서 일어나는 산화 반응에서 발생한다.

캐소드

캐소드는 여러 면에서 애노드와 반대이다. 이 명칭(역시 휴얼이 명명함)은 그리스어 κάτω (kato, '아래쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다. 이것은 양의 전극으로, 전자가 전기 회로에서 캐소드를 거쳐 화학 전지의 비금속 부분으로 흐른다는 것을 의미한다. 캐소드에서는 캐소드에 연결된 전선에서 도착한 전자를 이용해 산화제가 흡수하는 환원 반응이 일어난다.

일차 전지

다양한 일회용 전지: 9볼트 2개, "AAA" 2개, "AA" 2개, 그리고 "C", "D" 각 1개, 무선 전화기 배터리, 캠코더 배터리, 2미터 휴대용 햄 라디오 배터리 및 단추형 전지.

일차 전지는 한 번 사용하고 버리도록 설계된 전지이다. 이는 전지 내 전극에서 일어나는 전기 화학 반응이 가역적이지 않기 때문이다. 일차 전지의 예로는 손전등에 흔히 사용되는 일회용 알칼리 전지가 있다. 이는 ZnO가 형성되는 아연 애노드와 이산화 망가니즈 캐소드로 구성된다.

반쪽 반응은 다음과 같다:

Zn_(s) + 2OH⁻_(aq) → ZnO_(s) + H₂O_(l) + 2e⁻

\qquad \qquad

[E⁰_산화 = −1.28 V]

2MnO_2(s) + H₂O_(l) + 2e⁻ → Mn₂O_3(s) + 2OH⁻_(aq)

\qquad

[E⁰_환원 = +0.15 V]

전체 반응:

Zn_(s) + 2MnO_2(s)

ZnO_(s) + Mn₂O_3(s)

\qquad \qquad

[E⁰_전체 = +1.43 V]

ZnO는 덩어리지는 경향이 있어 다시 충전할 경우 방전 효율이 떨어진다. 이러한 배터리를 재충전하는 것이 가능할 수도 있지만, 안전 문제로 인해 제조사에서는 권장하지 않는다. 다른 일차 전지로는 아연-탄소, 아연-염화물 및 리튬-이황화철 전지가 있다.

이차 전지

일차 전지와 달리 이차 전지는 재충전이 가능하다. 최초의 이차 전지는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테가 발명한 납 축전지였다. 이 유형의 배터리는 여전히 자동차 등에서 가장 널리 사용되고 있다.^[5] 캐소드는 이산화 납(PbO₂)으로, 애노드는 고체 납으로 구성된다. 다른 흔히 사용되는 이차 전지에는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-금속 수소화물 전지 및 리튬 이온 전지가 있다. 마지막 리튬 이온 전지는 그 중요성 때문에 이 문서에서 더 자세히 설명한다.

마커스의 전자 이동 이론

마커스 이론은 노벨상 수상자 루돌프 마커스가 원래 개발한 이론으로, 전자가 한 화학 종에서 다른 화학 종으로 이동할 수 있는 속도를 설명한다.^[6] 이 문서의 목적에서 이는 전극에서 용매의 화학 종으로 또는 그 반대로 '점프'하는 것으로 볼 수 있다. 이 문제는 도너(donor)에서 어셉터(acceptor)로의 전자 이동에 대한 이동 속도를 계산하는 것으로 나타낼 수 있다.

D + A → D⁺ + A⁻

시스템의 퍼텐셜 에너지는 반응하는 화학 종과 주변 매질의 분자들에 대한 병진, 회전 및 진동 좌표의 함수이며, 이를 통칭하여 반응 좌표라고 한다. 오른쪽 그림의 가로축이 이를 나타낸다. 고전적인 전자 이동 이론으로부터, 비단열 과정과 포물선형 퍼텐셜 에너지를 가정할 경우, 교점( $Q_{x}$ )을 찾음으로써 반응 속도 상수(반응 확률)의 식을 계산할 수 있다. 한 가지 중요한 점은 마커스가 이론을 제안할 때 언급했듯이, 전자 이동은 에너지 보존 법칙과 프랑크-콘돈 원리를 준수해야 한다는 것이다. 이 작업을 수행하고 정리하면 반응의 전체 자유 에너지( $\Delta G^{0}$ )에 대한 자유 활성화 에너지( $\Delta G^{\dagger }$ )의 식이 도출된다. $\Delta G^{\dagger }={\frac {1}{4\lambda }}(\Delta G^{0}+\lambda )^{2}$

여기서 $\lambda$ 는 재구성 에너지(reorganisation energy)이다. 이 결과를 고전적으로 유도된 아레니우스 방정식에 대입하면 $k=A\,\exp \left({\frac {-\Delta G^{\dagger }}{kT}}\right),$ 다음과 같이 연결된다. $k=A\,\exp \left[{\frac {-(\Delta G^{0}+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right],$ 여기서 A는 보통 실험적으로 결정되는 빈도 인자(pre-exponential factor)이다.^[7] 다만 아래 설명된 것처럼 준고전적 유도가 더 많은 정보를 제공한다.

이 고전적으로 유도된 결과는 $\Delta G^{\dagger }=\lambda$ 조건에서 최대 전자 이동 속도가 관찰되는 현상을 정성적으로 재현했다.^[8] 더 광범위한 수학적 처리를 위해서는 뉴턴(Newton)의 논문을 참고할 수 있다.^[9] 이 결과에 대한 해석과 $\lambda$ 의 물리적 의미에 대한 자세한 내용은 마커스의 논문을 읽어볼 수 있다.^[10]

현재 상황은 변위된 조화 진동자 모델을 사용하여 더 정확하게 설명할 수 있으며, 이 모델에서는 양자 터널링이 허용된다. 이는 고전 이론과 달리 절대 온도가 거의 0에 가까운 상태에서도 여전히 전자 이동이 존재하는 이유를 설명하는 데 필요하다.^[11]

유도 과정에 대한 너무 상세한 설명 없이 말하자면, 이 유도는 시스템의 전체 해밀턴을 이용한 시간 의존 섭동 이론의 페르미 황금률을 사용하는 데 기초한다. 반응물과 생성물(화학 반응의 오른쪽과 왼쪽)의 파동 함수 중첩을 살펴보고, 에너지가 같아져 전자 이동이 허용되는 시점을 찾을 수 있다. 앞서 언급했듯이 이는 에너지 보존이 준수되어야 하기 때문에 발생해야 한다. 몇 가지 수학적 단계를 건너뛰면 전자 이동 확률은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다(비록 상당히 어렵지만). $w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar ^{2}}}\int _{-\infty }^{+\infty }dt\,e^{-i\Delta Et/\hbar -g(t)},$ 여기서 $J$ 는 두 상태(반응물과 생성물) 사이의 상호작용을 설명하는 전자 결합 상수이고, $g(t)$ 는 선형 함수(line shape function)이다. 이 식의 고전적 한계, 즉 $\hbar \omega \ll kT$ 를 취하고 일부 치환을 하면 예상대로 고전적으로 유도된 공식과 매우 유사한 식을 얻게 된다. $w_{ET}={\frac {|J|^{2}}{\hbar }}{\sqrt {\frac {\pi }{\lambda kT}}}\exp \left[{\frac {-(\Delta E+\lambda )^{2}}{4\lambda kT}}\right]$

주요 차이점은 이제 빈도 인자가 실험적 인자 $A$ 대신 더 물리적인 매개변수로 설명된다는 것이다. 더 심층적이고 엄격한 수학적 유도 및 해석은 아래 나열된 출처를 다시 참조하라.

효율

전극의 물리적 성질은 주로 전극의 재료와 전극의 위상(topology)에 의해 결정된다. 요구되는 성질은 용도에 따라 다르므로 다양한 종류의 전극이 유통되고 있다. 전극으로 사용될 재료의 결정적인 성질은 전도성이 있어야 한다는 것이다. 따라서 금속, 반도체, 흑연 또는 전도성 중합체와 같은 모든 전도성 재료를 전극으로 사용할 수 있다. 종종 전극은 각각 특정 임무를 가진 재료들의 조합으로 구성된다. 전형적인 구성 요소는 산화 또는 환원하는 입자 역할을 하는 활물질, 전극의 전도성을 향상시키는 전도제, 그리고 전극 내에 활성 입자를 유지하는 데 사용되는 바인더이다. 화학 전지의 효율은 여러 성질에 의해 판단되는데, 중요한 양은 자가 방전 시간, 방전 전압 및 사이클 성능이다. 전극의 물리적 성질은 이러한 양을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 전극의 중요한 성질로는 전기 저항률, 비열용량(c_p), 전극 전위 및 굳기가 있다. 물론 기술적 응용을 위해서는 재료의 비용도 중요한 요소이다.^[12] 상온(T = 293 K)에서 일부 흔히 사용되는 재료의 이러한 성질 값은 아래 표에 나열되어 있다.

일반적인 전극 성질^[13]
성질	리튬 (Li)	망가니즈 (Mn)	구리 (Cu)	아연 (Zn)	흑연
저항률 (Ω⋅m)	8.40×10⁻⁸	1.44×10⁻⁶	1.70×10⁻⁸	5.92×10⁻⁸	6.00×10⁻⁶
전극 전위 (V)	−3.02	−1.05	−0.340	−0.760	—
굳기 (HV)	<5	500	50	30	7–11
비열용량 (J/(g⋅K))	2.997	0.448	0.385	0.3898	0.707

표면 효과

전극의 표면 위상은 전극의 효율을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 접촉 저항으로 인해 전극의 효율이 감소할 수 있다. 따라서 효율적인 전극을 만들기 위해서는 접촉 저항을 최소화하도록 설계하는 것이 중요하다.

제조

리튬 이온 전지용 전극의 생산은 다음과 같이 다양한 단계로 수행된다.^[14]

전극의 다양한 구성 요소를 용매에 혼합하여 '전극 슬러리'를 만든다. 이 혼합물은 전극의 성능을 향상시키도록 설계된다. 이 혼합물의 일반적인 성분은 다음과 같다:
- 활성 전극 입자(활물질).
- 활성 전극 입자를 유지하는 데 사용되는 바인더.
- 전극의 전도성을 향상시키는 데 사용되는 전도제.
위의 전극 슬러리를 화학 전지에서 집전체 역할을 하는 도체 위에 코팅한다. 전형적인 집전체는 캐소드의 경우 구리, 애노드의 경우 알루미늄이다.
도체에 슬러리를 도포한 후 건조하고 필요한 두께로 압착한다.

전극의 구조

전극 구성 요소의 특정 선택에 대해 최종 효율은 전극의 내부 구조에 의해 결정된다. 전극의 성능을 결정하는 내부 구조의 중요한 요인은 다음과 같다.^[15]

활물질과 전도제의 클러스터링. 슬러리의 모든 구성 요소가 제 역할을 수행하려면 전극 내에 모두 고르게 퍼져 있어야 한다.
활물질 상의 전도제의 균일한 분포. 이는 전극의 전도성이 최적이 되도록 보장한다.
집전체에 대한 전극의 접착력. 접착력은 전극이 전해질로 용해되지 않도록 보장한다.
활물질의 밀도. 활물질, 전도제 및 바인더 양 사이의 균형을 찾아야 한다. 활물질은 전극에서 중요한 요소이므로, 전도제와 바인더가 제대로 작동하지 않는 일이 없으면서 활물질의 밀도가 가능한 한 높도록 슬러리를 설계해야 한다.

이러한 성질들은 전극 생산 시 여러 가지 방식으로 영향을 받을 수 있다. 전극 제조에서 가장 중요한 단계는 전극 슬러리를 만드는 것이다. 위에서 볼 수 있듯이 전극의 중요한 성질은 모두 전극 구성 요소의 균일한 분포와 관련이 있다. 따라서 전극 슬러리가 가능한 한 균질한 것이 매우 중요하다. 이 혼합 단계를 개선하기 위해 여러 절차가 개발되었으며 현재도 연구가 진행 중이다.^[15]

리튬 이온 전지의 전극

전극의 현대적 응용 분야는 리튬 이온 전지이다. 리튬 이온 전지는 오른쪽 이미지에서 볼 수 있는 일종의 흐름 전지이다.

또한 리튬 이온 전지는 재충전이 가능하므로 이차 전지의 한 예이다. 이는 갈바니 전지 또는 전해전지로 모두 작용할 수 있다. 리튬 이온 전지는 유기 용매에 용해된 리튬 이온을 전해질의 용질로 사용한다. 리튬 전극은 1913년 길버트 뉴턴 루이스와 프레데릭 키스(Frederick G. Keyes)에 의해 처음 연구되었다.^[16] 다음 세기에 이 전극들은 최초의 리튬 이온 전지를 만들고 연구하는 데 사용되었다. 리튬 이온 전지는 뛰어난 성능으로 인해 매우 인기가 있다. 응용 분야에는 휴대전화와 전기자동차가 포함된다. 인기 덕분에 리튬 이온 전지의 비용을 절감하고 안전성을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 리튬 이온 전지의 필수적인 부분은 애노드와 캐소드이므로, 특히 이러한 전극의 효율과 안전성을 높이고 비용을 절감하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.^[17]

캐소드

리튬 이온 전지에서 캐소드는 층간 삽입(intercalated) 리튬 화합물(리튬 및 다른 원소로 구성된 분자 층으로 이루어진 층상 물질)로 구성된다. 화합물의 분자 일부를 구성하는 일반적인 원소는 코발트이다. 자주 사용되는 또 다른 원소는 망가니즈이다. 화합물의 최선의 선택은 보통 배터리의 용도에 따라 달라진다. 망가니즈 기반 화합물에 비해 코발트 기반 화합물의 장점은 높은 비열용량, 높은 체적 열용량, 낮은 자가 방전율, 높은 방전 전압 및 높은 사이클 내구성이다. 그러나 높은 비용과 낮은 내열성과 같은 코발트 기반 화합물 사용의 단점도 있다. 망가니즈는 유사한 장점과 더 낮은 비용을 가지고 있지만, 망가니즈 사용과 관련된 몇 가지 문제가 있다. 주요 문제는 망가니즈가 시간이 지남에 따라 전해질로 용해되는 경향이 있다는 것이다. 이러한 이유로 코발트는 여전히 리튬 화합물에 사용되는 가장 일반적인 원소이다. 더 저렴하고 오래 지속되는 리튬 이온 전지를 만들기 위해 새로운 재료를 찾기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.^[17] 예를 들어, 중국과 미국의 연구원들은 초장형 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 리튬 인산철 캐소드를 크게 향상시킨다는 것을 입증했다. 리튬 인산철 입자를 단단히 결합하는 고효율 전도성 네트워크를 구축함으로써, 탄소 나노튜브를 중량 대비 단 0.5%만 전도성 첨가제로 추가해도 캐소드가 0.5 C에서 161.5 mA⋅h⋅g⁻¹, 5 C에서 130.2 mA⋅h⋅g⁻¹의 놀라운 율별 용량(rate capacity)을 달성하는 데 도움이 되며, 2 C에서 200회 사이클 후에도 87.4%의 용량 유지율을 유지한다.^[18]

애노드

대량 생산되는 리튬 이온 전지에 사용되는 애노드는 탄소 기반(보통 흑연)이거나 스피넬 리튬 티탄산염(Li₄Ti₅O₁₂)으로 만들어진다.^[17] 흑연 애노드는 저렴한 가격, 긴 수명 및 높은 에너지 밀도 덕분에 현대의 많은 상용 배터리에 성공적으로 구현되었다.^[19] 그러나 수지상 결정(dendrite) 성장 문제를 야기하여 배터리 단락 및 안전 문제를 일으킬 위험이 있다.^[20] Li₄Ti₅O₁₂는 안정성과 우수한 율별 특성 덕분에 애노드 시장 점유율 2위를 차지하고 있지만 낮은 용량과 같은 과제가 있다.^[21] 2000년대 초반에는 실리콘 애노드 연구가 활기를 띠기 시작하여 향후 리튬 이온 전지 애노드의 가장 유망한 후보 중 하나가 되었다.^[22] 실리콘은 흑연 및 Li₄Ti₅O₁₂와 비교할 때 가장 높은 중량당 용량 중 하나를 가지며 부피당 용량도 높다. 또한 실리콘은 기생 리튬 반응 없이 적절한 개로 전압 하에서 작동한다는 장점이 있다.^[23]^[24] 그러나 실리콘 애노드는 리튬화 과정에서 부피 팽창이 약 360%에 달한다는 큰 문제가 있다.^[25] 이러한 팽창은 애노드를 미분화(pulverize)하여 성능 저하를 초래할 수 있다.^[26] 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 실리콘의 차원성을 다양화하는 방법을 연구했다.^[22] 실리콘 나노와이어, 실리콘 튜브 및 실리콘 시트에 대한 많은 연구가 진행되었다.^[22] 그 결과, 복합 계층형 실리콘 애노드가 미래 리튬 이온 전지 응용 분야의 주요 기술이 되었다. 2020년대 초반에는 기술이 상업적 수준에 도달하여 미국에서 애노드 대량 생산을 위한 공장이 건설되고 있다.^[27] 또한 금속 리튬은 애노드의 또 다른 가능한 후보이다. 실리콘보다 높은 비용량을 자랑하지만, 매우 불안정한 금속 리튬을 다뤄야 한다는 단점이 있다.^[28] 흑연 애노드와 마찬가지로 수지상 결정 형성은 금속 리튬의 또 다른 주요 한계이며, 고체 전해질 계면(SEI)은 주요 설계 과제이다.^[29] 결국 안정화된다면 금속 리튬은 가장 가벼우면서도 가장 많은 전하를 보유하는 배터리를 생산할 수 있을 것이다.^[28] 최근 몇 년 동안 연구자들은 전도성 첨가제로 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)를 사용하는 것에 대한 여러 연구를 수행했다. 이러한 SWCNT는 전자 전도를 보존하고 안정한 전기 화학 반응을 보장하며 사이클링 동안 균일한 부피 변화를 유지하여 애노드 미분화를 효과적으로 줄이는 데 도움이 된다.^[30]^[31]

기계적 성질

배터리의 일반적인 실패 메커니즘은 기계적 충격으로, 이는 전극이나 시스템의 용기를 파손시켜 전도성 저하와 전해질 누출을 초래한다.^[32] 그러나 전극의 기계적 성질의 중요성은 단순히 환경에 의한 충돌 저항에 그치지 않는다. 표준 작동 중에 이온이 전극에 삽입되면 부피가 변한다. 이는 리튬 이온 전지의 실리콘 전극이 리튬화 과정에서 약 300% 팽창하는 사례에서 잘 드러난다.^[33] 이러한 변화는 격자 변형을 일으켜 재료에 응력을 유발할 수 있다. 응력의 원인은 전극의 기하학적 제약이나 이온의 불균일한 도금 때문일 수 있다.^[34] 이 현상은 전극 파손과 성능 손실을 초래할 수 있어 매우 우려되는 부분이다. 따라서 기계적 성질은 오래 지속되는 배터리를 위한 새로운 전극 개발을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 작동 중 전극의 기계적 거동을 측정하기 위한 가능한 전략 중 하나는 나노인덴테이션(nanoindentation)을 사용하는 것이다.^[35] 이 방법은 전기 화학 반응 중에 응력이 어떻게 진화하는지 분석할 수 있어 기계적 거동과 전기 화학을 결합하는 가능한 경로를 평가하는 귀중한 도구가 된다.

응력은 전극의 형태에 영향을 줄 뿐만 아니라 전기 화학 반응에도 영향을 미칠 수 있다.^[34]^[36] 화학적 구동력은 보통 기계적 에너지보다 크기가 크지만, 리튬 이온 전지에서는 그렇지 않다.^[37] 라르셰(Larché) 박사의 연구는 가해진 응력과 전극의 화학 전위 사이에 직접적인 관계를 확립했다.^[38] 비록 탄성 제약의 변화와 같은 여러 변수를 무시하지만, 총 화학 전위에서 응력에 의해 유도된 탄성 에너지를 뺀다. $\mu =\mu ^{\text{o}}+k\cdot T\cdot \log(\gamma \cdot x)+\Omega \cdot \sigma$

이 방정식에서 μ는 화학 전위를 나타내며, μ^o는 기준값이다. T는 온도, k는 볼츠만 상수이다. 로그 안의 γ 항은 활동도이며 x는 전체 전극 조성에 대한 이온의 비율이다. 새로운 항 Ω는 호스트(host) 내 이온의 부분 몰 부피이고 σ는 시스템이 느끼는 평균 응력에 해당한다. 이 방정식의 결과는 화학 전위에 의존하는 확산이 추가된 응력에 의해 영향을 받고, 따라서 배터리의 성능을 변화시킨다는 것이다. 또한 기계적 응력은 전극의 고체-전해질-계면 층에도 영향을 미칠 수 있다.^[32] 이온과 전하 이동을 조절하는 계면이 응력에 의해 파손될 수 있다. 따라서 이를 재생하기 위해 용액 내의 더 많은 이온이 소비되어 시스템의 전반적인 효율이 저하된다.^[39]

기타 애노드와 캐소드

진공관이나 극성을 가진 반도체(다이오드, 전해 캐패시터)에서 애노드는 양극(+)이고 캐소드는 음극(-)이다. 전자는 캐소드를 통해 장치로 들어오고 애노드를 통해 장치에서 나간다. 많은 장치에는 베이스, 게이트, 제어 그리드와 같이 작동을 제어하기 위한 다른 전극이 있다.

3전극 전지에서 보조 전극이라고도 불리는 상대 전극은 작업 전극에 전류가 가해질 수 있도록 전해질에 연결하는 용도로만 사용된다. 상대 전극은 보통 용해되는 것을 방지하기 위해 귀금속이나 흑연과 같은 불활성 재료로 만들어진다.

용접 전극

아크 용접에서 전극은 전류를 공작물에 전달하여 두 조각을 융합하는 데 사용된다. 공정에 따라 전극은 가스 금속 아크 용접 또는 차폐 금속 아크 용접의 경우처럼 소모성이거나, 가스 텅스텐 아크 용접과 같이 비소모성이다. 직류 시스템의 경우, 용접봉은 충전형 용접을 위한 캐소드이거나 다른 용접 공정을 위한 애노드일 수 있다. 교류 아크 용접기의 경우 용접 전극은 애노드나 캐소드로 간주되지 않는다.

교류 전극

교류를 사용하는 전기 시스템의 경우, 전극은 회로에서 전류가 작용할 대상 물체로의 연결부이지만, 전자의 흐름 방향이 주기적으로(보통 초당 여러 번) 바뀌기 때문에 애노드나 캐소드로 지정되지 않는다.

화학적으로 수식된 전극

화학적으로 수식된 전극(Chemically modified electrodes)은 전극의 물리적 성질, 화학적, 전기 화학적, 광학적, 전기적 및 수송 성질을 변화시키기 위해 표면을 화학적으로 수정한 전극이다. 이러한 전극은 연구 및 조사의 고급 목적으로 사용된다.^[40]

용도

전극은 비금속 물체에 전류를 공급하여 다양한 방식으로 변화시키고 다양한 목적으로 전도도를 측정하는 데 사용된다. 예시는 다음과 같다:

연료전지용 전극
뇌전도(EEG, 뇌 활동 기록), 심전도(ECG, 심장 박동 기록), 전기경련 요법(ECT, 전기적 뇌 자극), 세동제거(심장 자극 기록 및 전달)와 같은 의료용 전극
생물 의학 연구의 전기생리학 기법용 전극
전기의자에 의한 처형용 전극
전기도금용 전극
아크 용접용 전극
음극 보호(cathodic protection)용 전극
접지용 전극
전기 화학적 방법을 이용한 화학 분석용 전극
나노 전기 화학의 고정밀 측정을 위한 나노 전극
전기 분해를 위한 불활성 전극(백금으로 제작)
막 전극 접합체
테이저 전기충격기용 전극

전극에 사용되는 재료의 종류

모재 금속, 용접 강도 및 서비스 조건에 따라 다양한 전극 재료가 선택된다. 일반적인 예시는 다음과 같다:

연강

이 전극들은 일반적인 용도의 용접에 사용된다.

E6010
E6011
E6013
E7018

스테인리스강

내식성이 필요한 곳에 사용된다.

E308L
E309L
E316L
E347

주철

주철 부품의 수리 또는 결합을 위해 설계되었다.

ENiFe-CI
ENi-CI
ESt

니켈 합금

고온, 부식성 환경 또는 이종 금속 용접에 사용된다.

ENiCrMo-3
ENiCrFe-2
ENiCrMo-6
ENiCu-7

알루미늄

경량, 전도성 또는 내식성 접합이 필요한 곳에 적용된다.

E4043
E5356
E1100

티타늄

항공우주, 화학 및 고온 응용 분야에 사용된다.

ERTi-1
ERTi-2
ERTi-5 (Ti-6Al-4V)

구리 및 구리 합금

전도성 응용 분야 및 구리 기반 합금의 접합에 사용된다.

ECu
ECuSi-A
ECuSn-C

같이 보기

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각주

↑ Whitaker, Harry (2007). 《Brain, Mind and Medicine: Essays in eighteenth-century neuroscience》. New York, NY: Springer. 140쪽. ISBN 978-0-387-70967-3.
↑ Bellis, Mary. Biography of Alessandro Volta – Stored Electricity and the First Battery.
↑ Ross, S. (1961년 11월 30일). 《Faraday consults the scholars: the origins of the terms of electrochemistry》. 《Notes and Records of the Royal Society of London》 16. 187–220쪽. doi:10.1098/rsnr.1961.0038. S2CID 145600326.
↑ Conventional Current Flow and Electron Flow. (2021, September 12). Mohawk Valley Community College. https://eng.libretexts.org/@go/page/25106
↑ “The 4 Types of Rechargeable Batteries Explained”. 《RB Battery》. 2020년 6월 2일.
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