배터리(Battery)의 역사

개요

배터리는 현대 문명에서 정말 중요한 부분을 차지하고 있습니다. 휴대전화, 노트북, 게임기... 어느 것 하나 배터리로 움직이지 않는 것이 없습니다. 심지어 자동차까지도 배터리로 움직입니다. 최근에는 배터리에서 화재가 일어나 대량의 재산피해가 있었습니다. 또, 이런 일도 생각나는 군요. 갤럭시 노트7이 출시하고 역대급 편의 기능과 성능으로 많은 주목을 받았지만 배터리가 폭발하는 바람에 비운의 기종이 되었습니다. 사건,사고와 뉴스가 끊이 않는 배터리에 대해 알아보자.

배터리란 무엇인가

배터리란 교류 발전기에 의해서 생성된 전지를 저장했다가, 다른 전자 기기에 전기가 필요할 때 전기를 공급해주는 장치라고 할 수 있다.

전지의 분류

전지의 분류

• 물리전지 : 빛이나 열, 원자력 등으로 전기를 발생시키는 장치로 태양전지, 열전소자, 원자력 전지 등이 있다.
• 화학전지 : 우리가 흔히 전지라고 생각하는 종류이다. 조금 더 세분화 하면 1차 전지와 2차 전지로 나뉜다. 두 가지 금속의 이온화도 차이에서 오는 전위차를 이용한다. 이온의 양이 많을수록 흘려보낼 수 있는 전하의 양도 많기 때문에 같은 종류인 전지의 용량은 크기에 거의 비례한다.

화학 전지는 다시 일차 전지와 이차 전지로 나뉜다.

화학 전지의 분류

• 일차 전지 : 화학 반응 과정이 비가역적이라서 한 번 방전되면 재사용이 불가능한 전지다.
• 이차 전지 : 화학 반응 과정이 가역적이라서 충전과 방전을 반복 할 수 있는 전지다.

대표적인 2차 전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴(NiCd), 리튬이온 전지(Li-on), 리튬이온 폴리머 전지(Li-ion poolymer) 등이 있다. 2차 전지는 1차 전지가 있어야 충전이 가능하기 때문에 2차 전지라고 불린다는 말도 있다. 이와 같은 1차 전지와 2차 전지와의 차이점으로는 2차 전지가 1차 전지에 비해서 가격이 비싸지만 한 번 쓰고 버리는 1차 전지에 비해 2차는 재사용이 가능하여 경제적이고 상대적으로 친환경적이다.

이차 전지의 분류

• 산성계 전지 (Acid-based) : 세계 최초로 발명된 이차 전지, 주로 납과 황산을 사용한다. 높은 전류를 제공 할 수 있다. 비용 대비 에너지 저장량이 상당히 우수하나, 무겁고 에너지 밀도가 낮으며 폭발 및 화재의 위험이 있다. 자동차 시동용 배터리, 산업용 비상 전원 공급 장치 등에 사용되고 있다.
• 알칼리계 전지 (Alkaline-based) : 니켈과 수소, 카드뮴 등을 사용한 이차 전지이다. 높은 내구성과 넓은 사용 범위, 안정적인 성능을 자랑하나, 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧다. 또한 니켈-카드뮴 전지는 환경에 유해하여 사용이 점차 줄어드는 추세이다.
• 리튬계 전지 (Lithium-based) : 전극 재료로 리튬을 사용한 이차 전지다. 가벼운 무게, 긴 수명, 높은 에너지 밀도, 출력 성능 등 다양한 장점을 가지고 있다. 휴대폰, 노트북, 전기차 등 다양한 분야에 널리 사용하게 되었다. 폭발, 화재 등의 위험성과 가격이 상대적으로 비싸다는 치명적인 단점이 있으나, 개선되는 중이다.

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배터리의 역사

동물(생체) 전지

1780년. 이탈리의 해부학자이자 생리학자 루이지 갈바니는 개구리의 해부 도중 두개의 금속이 개구리에게 닿자 개구리가 움직이는 것을 보고 동물(생체) 전기를 주장하게 된다. 동물 체내에 전기를 만드는 기관이 있고 금속이 닿자 그 전기가 흐르면서 개구리가 움직였다고 주장했다.

볼타 전지

볼타 전지를 만든 알렉산드로 볼타도 처음에는 루이지 갈바니의 주장이 맞다고 생각했다. 전기에 관심이 많았던 갈바니의 주장을 토대로 실험을 했지만 그 주장이 사실과 다르다는 것을 밝혀냈다. 1974년, 전류가 생성되는 데 생물의 조직이 필요하지 않으며, 금속만 존재해도 전류가 흐른다고 주장했다. 이것은 많은 논쟁을 낳았지만 1800년, 볼타가 볼타 전지를 발명하면서 볼타의 주장은 정설이 되었다.

양극은 구리를 사용하고, 음극은 아연을 사용했다. 전해질은 묽은 황산을 사용한다. 최초의 전지라는 의의가 있지만, 본격적인 동력원으로서는 한계를 가지고 있다.

일차 전지, 망간 전지와 알카라인 전지

1865년, 프랑스의 엔지니어이자 발명가인 르클랑세가 망간전지를 개발하였다. 양극에 이산화망간, 음극에 아연을 사용하고 전해질로 염화암모늄을 사용하였다. 망간전지의 시작이었다. 망간 전지는 종전의 다른 전지들과 다르게 소형화가 가능하게 됐고, 어느 정도 안정적인 전기 공급이 가능했다.

1886년, 독일의 의사, 과학자, 발명가인 카를 가스너가 르클랑세의 습식전지를 건식전지로 계량하면서 우리가 흔히 말하는 건전지의 시초가 된다.

1955년에, 카나다계 미국인 루이스 어리가 망간 전지의 산성 전해질을 수산화칼륨염을 적용한 알칼리 전해질로 바꾸면서 출력과 용량을 향상시켜 , 사용성과 성능을 개선한 알칼라인 전지를 개발하였다. 훗날 이 건전지는 #백만돌이가 되어 전세계적으로 팔린다.

납 축전지

납 축전지는 전기화학반응을 이용하는 축전지로 납과 황산을 이용한 2차 전지다. 축전지는 1859년 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테가 발명했다.

납 축전지의 작동 원리는 이온화도가 다른 두 개의 전극으로 이루어진 회로를 전해액이 통하도록 구성하면 이온화도가 큰 쪽의 전극으로부터 반대쪽 전극으로 전자가 이동하게 되는 원리를 가지고 있다. 납 축전지는 화학반응이 가역적이어서 외부에서 전류를 공급하면 다시 원래 상태로 돌아갈 수 있게 되어 방전과 충전의 반복 사용이 가능하다는 특징이 존재한다. 높은 전류량을 얻기 위해서는 전극의 면적이 커야 하고, 실제 축전지에서는 여러 개의 전극을 병렬로 연결하며, 셀당 기전력은 크기에 상관없이 약 2V로 일정하고 높은 전압을 얻기 위해서는 여러 개의 셀을 직렬로 연결하는 방법을 사용한다. 자동차의 경우로 예시를 들자면 자동차용 축전지가 12V의 기전력이 필요하다면, 이를 얻기 위해 2V 짜리 6셀을 직렬로 연결한 축전지가 필요하다.

납 축전지는 다른 2차 전지에 비교해서 경제적이지만 전지의 용량과 비교해서 다소 무거운 것이 단점이며, 납을 사용하기 때문에 환경 오염의 문제가 있으나, 황산의 누출 위험 상황만 없다면 다른 2차 전지들보다는 훨씬 안정적인 편이다. 납 축전지는 자동차의 시동 및 조명 등 전자기기의 전원, 지게차와 골프용 카트 등과 같이 무게가 중요하지 않은 차량에서 많이 사용한다. 나아가 산업용으로는 전력저장시스템(ESS)과 전자기기의 예비 전원 등으로 쓰인다. 다만, 납 축전지는 무게가 무거워서, 스마트폰이나 전기자동차 등 전지의 무게가 문제가 되는 품목에서는 리튬이온전지로 대체되는 추세에 있습니다.

니켈 수소 배터리

니켈 수소 배터리는 니켈 카드뮴 배터리를 개선한 배터리로 음극에는 니켈, 양극에는 수소 흡장 합금을 사용한다. 전해질로는 80바 이상의 압력으로 압축된 수소를 사용합니다. 지나치게 방전되거나 충전해도 성능이 크게 떨어지지 않고, 자연적으로 충전 용량이 줄어드는 기억효과도 적어서 휴대전화나 노트북, 핸디캠 등에 널리 사용해 왔다. 단위 부피당 에너지 밀도가 니켈 카드뮴 배터리와 비교했을 때 두 배에 가까워 고용량으로 제작할 수 있어 부피당 용량이 큰 장점이 있습니다. 그래서 초창기 전기자동차나 하이브리드 자동차에 두루 쓰였다.

1990년대 중반까지 니켈 카드뮴과 니켈 수소 배터리 시장을 지배한 국가는 일본이었습니다. 1990년대 당시 일본의 글로벌 시장 점유율은 70%였고, 이러한 영향으로 세계 최초의 혼합형 자동차 토요타 프리우스가 니켈 수소 배터리를 사용하기도 했습니다.

물론 니켈 수소 배터리의 단점도 있다. 첫째로, 기억효과가 니켈 카드뮴 배터리보다 적기는 하지만 전혀 없는 것은 아니어서 완전히 방전하고 충전하지 않으면 용량이 줄었다. 둘째로, 오래 사용하지 않으면 자연적으로 방전된다. 주행거리가 무엇보다 중요한 전기자동차에서 배터리 용량이 자연적으로 줄어든다는 건 그만큼 1회 충전 시 주행거리가 줄어든다는 것이기 때문에 아주 치명적인 단점이었다.

리튬이온 배터리

리튬이온 배터리는 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 배터리로, 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾는다. 이러한 리튬이온 배터리는 충전 및 재사용이 불가능한 1차 전지인 리튬 배터리와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬이온 폴리머 배터리(Li-Ion Polymer Battery)와도 다른 종류다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 기억효과가 없고, 사용하지 않을 때 자가 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 스마트폰 등 시중의 휴대용 전자기기들에 많이 사용하고 있다. 그 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화 시스템, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세다. 하지만, 이러한 리튬이온 배터리는 잘못된 사용법으로 사용하게 되면 화재가 발생할 염려가 있으므로 각별하게 주의를 기울여야 합니다.

마그네슘 배터리

오늘날 전기자동차에서 스마트폰에 이르기까지 수많은 응용을 위해 사용하는 에너지 저장기술인 리튬이온 배터리는 앞서 말씀드린 것처럼 잘못된 사용법으로 배터리를 사용하면 화재가 발생할 위험이 있는 인화성 물질이라는 단점이 존재한다. 리튬(Li)은 비싸고 희귀하기 때문에 에너지 저장장치(ESS) 시장에서는 이러한 리튬보다 저렴하고 효율적인 대체재가 필요하였습니다. 태양광, 풍력과 같은 재생에너지에서 생기는 전력을 저장하기 위해 배터리를 넣은 기술들도 나날이 늘어난다. 하지만 전력망에서 사용하기에는 비용적인 문제가 다시 발목을 잡았습니다. 수많은 연구진들은 배터리에 적용할 용도로 저렴하고 안전한 고에너지 밀도의 양극 재료인 마그네슘을 사용해 배터리를 제작하기 시작했습니다. 이렇게 탄생한 배터리가 바로 마그네슘 배터리다. 음극 재료로 철과 황으로 된 황철석(pyrite)과 양극 재료인 마그네슘이 서로 짝을 이뤄 제작된 전지입니다. 이와 같은 마그네슘 배터리는 리튬이온 배터리와 비교했을 때 더 안전하고 매우 높은 용적, 중량을 제공하며, 높은 에너지 밀도를 보여주고 있다. 때문에 마그네슘 배터리의 장점을 통해 더 높은 전압의 호스트에 다양한 다원자 이온을 삽입하여 전기자동차를 위해 저렴한 가격으로 고에너지 배터리를 만들 수 있을 것이라고 촉망받고 있다.

마치며

오늘은 우리가 흔히 사용하고 있는 배터리에 대해서 알아봤다. 배터리는 이제 우리에게 필수품으로 자리 잡았다. 배터리가 사라진다면 우리 삶에 미치는 영향은 생각만해도 끔찍할 지경이다. 그런 만큼 배터리에 대해서도 상식적으로 알아 두어서 나쁠 것은 없다고 생각한다.