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배터리는 왜 이렇게 발전이 느릴까
[과학이야기 2]
 
최재영 성균관대학교 신소재공학과 4학년   기사입력  2019/10/02 [02:32]
▲ 최재영 성균관대학교 신소재공학과 4학년  

 배터리는 발전이 너무나 느려요. 아직도 핸드폰을 충전하지 않으면 핸드폰이 굴러가지 않아요. ‘배터리는 왜 이렇게 발전이 느릴까? 아 답답해. 아직도 하루에 한 번씩 충전해야 돼.’ 날이 갈수록 핸드폰 성능이 좋아지고 사용량도 늘어감에 따라 가볍고 고효율 배터리가 필요하게 되었어요. 하지만 우리는 아직도 20년 전에 개발한 리튬-이온 배터리를 사용하고 있어요. 배터리 산업의 발전 속도가 하도 느리다 보니 안 되겠다고 생각한 전자기기 산업들은 이제 충전기술에 더 많이 투자하기 시작했어요. 이제는 고속충전은 물론이고 선이 없어도 원격으로 충전할 수 있는 시대에 와있어요. 현재는 1m 밖에서 충전이 가능한 상태이지만, 10km 밖에서도 충전이 가능하도록 연구하고 있어요. 충전할 필요 없이 한달 내내 써도 모자라지 않는 배터리가 있으면 이런 기술이 필요하지 않을 텐데 말이에요. 왜 우리는 아직도 리튬-이온 배터리를 사용할 수밖에 없는지, 그 이유를 살펴보도록 해요

 

 배터리의 기본 원리

 

 모든 원자들은 야생의 법칙을 따르고 있어요. 힘이 센놈과 약한놈이 만나면 약한놈이 센놈한테 재물을 바쳐야 해요. 이 때 이 재물이 바로 전자에요. 전자를 뺏는 행위는 꼭 접촉해야지만 일어나는 현상이 아닙니다. 특히 금속의 경우 서로 다른 두 개의 금속을 전선으로 연결하면 전선을 통하여 전자가 이동합니다. 전자가 이동하는 통로에다가 우리가 사용하는 제품을 놓으면 전지완성! 하지만 이렇게 금속과 금속을 전선으로만 연결하면 전지가 얼마 안가고 꺼져버립니다. 전자를 일정량 뺏기고 나면 약한 금속이 더 이상 뺏기기 싫어서 버티기 때문이지요. 그래서 모든 전지들은 두 금속을 전해질이라는 용액에다가 담가서 쓰고 있어요. 전자를 뺏긴 금속을 아예 금속무리에서 제거해버려서 원성을 잠재워버리는 방법을 쓰고 있어요. 전지에 사용하는 두 금속의 힘 차이는 꽤 되기 때문에 잘못해서 서로 직접 만나버리면 위험한 일이 생길 수도 있어요. 그래서 전지들은 반드시 분리막을 통해 두 금속을 서로 떨어트려야 해요. 약한 금속이 모든 전자를 잃게 되는 현상을 방전이라고 하고 센 금속에다가 힘을 주어 약한 금속에게 다시 전자를 주는 과정을 충전이라고 해요. 예전에 사용하였던 전지들은 아무리 센 금속에게 힘을 주어도 약한 금속에게 전자를 제공할 수 최근에는 약한 금속과 친한 센 금속들이 발견되어 충전이 가능하게 되었어요. 이렇게 충전이 가능해진 건전지를 2차전지라고 해요. 

 

 배터리의 역사

 

 18세기 말 우연한 계기로 이탈리아 해부학자 갈바니는 철봉에 매달린 개구리에 철사를 가져다 댔는데, 개구리 다리가 꿈틀거리는 것을 보게 됐어요. 갈바니는 이를 ‘동물전기’라고 부르고 동물의 몸 안에 배터리와 같은 에너지가 들어있다고 했어요. 같은 이탈리아의 물리학자 갈바니는 이것을 보고 ‘동물전기’의 현상은 그저 서로 다른 두 금속 사이에 전해질(개구리의 체액)이 있어서 발생한 것이었다고 설명했어요. 볼타는 이 실험을 통해 구리와 아연을 이용한 볼타 전지를 만들었어요. 볼타전지를 이용하면 구리판에서 수소 기체가 발생하는데, 수소 기체들은 점점 구리판에 달라붙어 구리판을 못 쓰게 만들어버렸어요. 이 문제점을 보완하기 위해 만들어진 것이 망간 전지에요. 망간 전지는 원통의 아연과 탄소봉을 이용해 수소 기체가 형성되지 않는 전지를 만들었어요. 이는 우리가 잘 아는 1.5V전지(듀라셀, 벡셀)인데, 무려 100년 넘게 쓰였던 건전지에요. 하지만 망간 전지에도 문제점이 있었어요. 내부 저항이 크고 오랜 기간 연속으로 사용할 수 없었어요. 그래서 나온 것이 알칼라인 전지에요. 구성 물질을 약간 변화시킨 것만으로 3배의 전기용량을 보유할 수 있었어요. 생긴 것은 비슷한데 가격은 비싸 인기가 크지 않았어요. 한번 쓰고 버리는 건전지는 재활용 할 수 있는 방법도 없었기 때문에, 사람들은 20세기 말부터 충전식 배터리를 연구하기 시작했어요. 첫 번째 2차전지는 자동차 배터리로 유명한 납축전지에요. 납판과 산화납을 사용해 만들었어요. 방전이 되면 모두 산화납이 되며 전류를 흘려보내주면 다시 원상태로 돌아와요. 하지만 납 자체가 너무나 무거워 휴대용 전자기기에는 적합하지 않았어요. 휴대용 전자기기에 들어 갈 수 있었던 첫 번째 건전지는 니켈-카드뮴 전지였어요. 단순히 충전이 가능한 건전지라서 그런지 문제점이 여러 가지 등장했어요. 건전지를 사용하지도 않았는데, 자연적으로 방전이 된다던지 충전을 계속하다 보면 용량이 점점 줄어든다던지 하는 문제들이요. 이를 보완하기 위하여 니켈 수소 전지를 만들었으나 2년 뒤에 나온 리튬이온 전지에게 완전히 밀려 빛을 보지 못했어요. 하지만 리튬이온 전지도 문제점이 없지 않았어요. 안전성 문제가 첫 번째였고, 우리나라의 겨울 즉 극저온에서 그 기능을 제대로 하지 못했어요. 아이폰이 겨울에 갑자기 훅 꺼져버리는 현상은 바로 리튬 배터리 자체의 문제였어요. 이를 극복하기 위해 리튬인산철 배터리가 나왔는데, 이 건전지도 영하 20도에서는 작동이 힘들어요. 아직 문제점이 산재한 리튬전지이지만 딱히 새로운 대안이 없어요. 왜 그럴까요?

  

 리튬 전지의 구성

 

 기본적인 리튬 전지는 흑연과 리튬을 보유한 전이금속산화물로 되어있어요. 전해질 속에는 리튬금속이 전자를 잃은 상태로 들어가 있어요. 리튬은 상당히 작고 가벼운 금속원자이기 때문에 빈곳이 있으면 어디든지 들어갈 수 있어요. 흑연은 남는 전자가 꽤나 많기 때문에 전자를 잃은 리튬을 많이 품을 수 있어요. 반대로 전이금속산화물은 전자가 모자른 쪽이기 때문에 전자가 모자를 경우 보유하고 있던 리튬에게서 전자를 빼앗고 내보내는 성질을 갖고 있어요. 이 둘을 연결할 경우 흑연에 있는 전자들이 전이금속산화물로 흐르게 되어서 전이금속산화물은 다시 전자가 풍족해져요. 배부른 전이금속산화물은 다시 리튬원자를 받아들이게 되는 것이에요. 반대로 전자가 부족해진 흑연에서는 함께 있던 리튬에게서 전자를 보충하고 리튬을 내보내게 돼요. 충전은 그 반대상황이라고 보면 돼요. 우선 강제로 힘을 써서 배부른 전이금속산화물이 전자를 뱉어내게 해요. 전자는 다시 흑연으로 돌아가게 되는데 전자가 풍부해진 흑연은 다시 리튬 원자를 품게 되고 전자가 부족해진 전이금속산화물은 리튬 원자를 뱉어내게 되는 것이에요. 리튬 전지에서 리튬은 중개자의 역할이에요. 작고 가벼운 탓에 어디든 들어갈 수 있어 안정적이고 빠른 반응을 할 수 있어요.

 

 리튬 배터리의 성장

 

 리튬 배터리가 처음 나왔을 때는 원기둥형태의 건전지로 등장했어요. 전해질로서 액체를 사용했기 때문에 모양을 바꾸기가 힘들었어요. 이를 위해 등장한 리튬폴리머 배터리는 액체를 보관할 필요가 없어졌어요. 원기둥형태의 건전지에서 벗어나 얇고 길게 만듦으로써 다양한 가전제품에 쓸 수 있게 되었어요. 리튬 배터리에서 용량을 결정하는 것은 전이금속산화물이에요. 전이금속산화물이 얼마나 많은 양의 리튬원자를 보유할 수 있느냐가 포인트였어요. 전이금속산화물이 많은 양의 리튬을 보유하게 하기 위하여 다양한 금속을 합금해보았고 그 금속들에 다양한 방법으로 구멍을 뚫어 빈틈을 만들어주었어요. 그러나 이러한 실험들도 거의 한계에 다다른 거 같아요. 이제는 더 이상 빈 곳을 만들어주기 힘든 단계에 도달했어요. 그 후에 전이금속산화물의 비율을 늘리면 어떻게 될까 하는 생각을 하기 시작했어요. 하지만 이 생각은 실패하고 말았어요. 전이금속산화물의 양을 2배 늘리게 되면 리튬이온이 밖으로 빠져 나오는게 4배 힘들어지고 말았어요. 이렇게 되면 가뜩이나 느린 충전 속도가 반의 반 토막 나고 마는 것이죠. 리튬보다 가벼운 중개자도 찾지 못했어요. 리튬은 이 세상의 원소 중에 손가락 안에 드는 가벼운 물질이기 때문이에요. 앞으로도 이렇게 서로 다른 물질 두 개를 연결하여 만드는 건전지 중 리튬배터리를 앞지를 수 있는 건전지는 없을 것이라는 것이 정설이에요.

 

 최근에는 리튬배터리를 대신해서 수소 전지를 사용할 수 있을 것이라는 전망이 있어요. 수소는 우주의 75프로를 차지하는 원소이지만 저희가 쓸 수 있는 수소는 수소 기체에요. 물을 전기분해 시키거나 가스를 정제하는 과정에서 수소 기체가 나오고 있어요. 물을 전기분해 시키는 방식은 수소가 낼 수 있는 전력보다 큰 전력을 소모해야 했기에 잘 쓰이지 않고 있어요. 가스를 정제하는 과정에서 나오는 수소 기체도 사실은 양이 얼마 되지 않았기에 그렇게 큰 희망을 가지지 않았어요. 하지만 최근에 미국에서 어마어마한 양의 셰일가스를 채굴 할 수 있게 되면서 수소 연료의 가능성이 생기기 시작했어요. 전세계적으로 전기차 시장이 커지고 있는 중에 유일하게 현대차에서는 수소 전지로 구동하는 전기차를 개발하고 있어요. 또한 LG와 SK는 전기차용 전지 개발에 사력을 투자한다고 되어있어요. 현재 두 기업은 건전지 사업에서도 순위권안에 있어요. 앞으로도 전망이 훌륭한 건전지 사업에서 모두들 큰 성공을 이루어가기를 기원해 봐요. 다음에 만나요~

 

▲ 수소연료전지(출처: http://today.lbl.gov/) 

 

 

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기사입력: 2019/10/02 [02:32]   ⓒ 군포시민신문
 
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