현대인의 일상은 배터리 없이 상상할 수 없습니다. 스마트폰부터 전동킥보드, 전기자동차까지 우리 생활 곳곳에 배터리 기술이 스며들어 있습니다. 벤자민 프랭클린이 처음 '배터리'라는 용어를 사용한 1749년부터 현재의 리튬이온 배터리에 이르기까지, 그리고 차세대 배터리로 주목받는 전고체와 나트륨 이온 배터리까지, 배터리 기술의 진화는 인류 문명의 발전과 궤를 같이해왔습니다.
리튬이온 배터리의 탄생과 작동 원리
1749년 4월 29일 벤자민 프랭클린이 직렬로 연결시킨 라이덴 병을 이용한 전기 실험 결과를 발표할 때 처음 '배터리'라는 용어가 사용되었습니다. 이후 알레산드로 볼타가 구리와 아연판 사이에 소금물에 절인 절연체를 겹쳐 쌓아 올린 볼타 전지를 발명하면서 근대 전지의 역사가 시작되었습니다. 1896년에는 아연-탄소 전지를 기반으로 한 첫 번째 상용 1차 전지가 탄생했고, 1995년에는 루이스 얼이라는 엔지니어가 알카라인 건전지를 개발하여 시장에서 큰 성공을 거두었습니다.
그러나 1차 전지는 일회용이라는 치명적인 한계가 있었습니다. 1859년 가스통 플랑테가 납전극과 이산화 납 전극판 사이에 얇은 판을 겹겹이 돌돌 말아 황산의 당근 형태로 만든 납축전지는 재충전이 가능한 2차 전지의 시초가 되었습니다. 하지만 자동차에는 적합했지만 휴대성이라는 측면에서는 여전히 한계가 명확했습니다.
진정한 혁신은 1980년 미국의 물리학자 존 구디너프 교수로부터 시작되었습니다. 그는 이온 형태의 리튬이 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 새로운 타입의 리튬 배터리를 발명했습니다. 리튬은 주기율표 상에서 가장 가벼운 원소 중의 하나이며 가장 큰 전기화학적 전위를 가진 원소 중의 하나입니다. 이 조합은 가장 컴팩트하고 가장 가벼우면서 동시에 가장 높은 전압을 만들어냅니다.
리튬이온 배터리의 작동 원리를 살펴보면, 리튬은 코발트, 니켈 혹은 철과 같은 전이 금속과 산소와 함께 결합되어 양극을 형성합니다. 충전하는 동안 배터리의 전압이 인가될 때 캐소드 전극으로부터 양으로 대전된 리튬 이온은 전극끼리는 못 만나게 하고 이온만 지나갈 수 있도록 구멍이 송송 뚫려 있는 분리막을 지나 그라파이트 애노드 전극으로 이동하여 리튬 금속이 됩니다. 애노드 전극은 우리말로 음극재라고도 하는데 국내에서는 POSCO에서 유일하게 음극재를 생산하고 있습니다. 방전 시에는 이것이 다시 리튬 이온으로 변환되어 애노드에서 캐소드 전극으로 돌아가며, 이때 회로 내 전자의 이동이 우리가 사용할 전류를 만들어냅니다. 이러한 메커니즘 덕분에 우리는 지하철에서도 스마트폰으로 다양한 콘텐츠를 즐길 수 있게 되었습니다.
전고체 배터리로의 진화와 안전성 문제 해결
많은 연구 개발을 통해 리튬이온 배터리에 사용되는 전이 금속에 따라 배터리 셀은 더 큰 용량을 가지게 되었지만, 그만큼 더욱 불안정해지면서 발화 현상이라는 심각한 문제에 직면했습니다. 리튬 배터리의 폭발 위험성은 현재까지도 사용자들이 가장 우려하는 부분입니다. 실제로 전동킥보드나 스마트폰 배터리 폭발 사고가 종종 발생하면서 안전성 문제가 대두되고 있습니다.
이러한 이슈를 해결하기 위해 최근에는 리튬과 니켈, 코발트, 망간 삼총사를 한곳에 모아 안정적인 양극 전극을 만드는 데 성공했습니다. 이 캐소드 전극은 발화 문제로부터 상당히 안정화되었습니다. 더 나아가 1997년에는 리튬 폴리머 배터리가 처음 출시되었습니다. 이로 인해 더 이상 배터리는 액상이 아닌 고체 폴리머 합성물 내에 전해질을 갖게 되면서 단단한 금속 케이스가 아닌 다양한 형태의 배터리로 탈바꿈하게 되었습니다.
현재 유명 기업들은 안전성과 지속성을 더욱 확보하기 위해 전고체 배터리 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체로 대체한 것으로, 누액이나 폭발 위험성을 대폭 줄일 수 있습니다. 또한 배터리를 겁나 안전하게 맘대로 씹고 뜯고 맛보고 즐기는 그런 기술로까지 발전되고 있습니다. 이는 과장된 표현이지만, 그만큼 안전성이 획기적으로 개선될 것임을 의미합니다.
배터리 수명 문제도 사용자들이 체감하는 큰 불편함 중 하나입니다. 어느 정도 사용하다 보면 언젠가부터는 조금만 사용하여도 배터리가 방전되어 더 이상 사용하지 못하는 경우가 생기게 되는데, 이때는 배터리를 교체해야 합니다. 전동킥보드를 타며 배터리 수명이 다해 배달 업무를 못하게 되는 경우처럼, 배터리 한 번 교체하는 데 너무 많은 비용이 드는 것이 현실입니다. 전고체 배터리가 상용화되면 수명도 길어지고 지속성도 개선되어 이러한 문제들이 상당 부분 해결될 것으로 기대됩니다.
나트륨 이온 배터리와 자원 고갈 문제
전기자동차, 전기 비행기 등 배터리 수요가 폭발적으로 증가하고 있지만, 자원은 무한하지 않습니다. 전 세계 리튬 매장량의 75% 이상이 남미 삼각지대에 옹기종기 매장되어 있는데, 이로 인해 전 세계 시장에서는 리튬 수요에 비해 공급이 부족한 때로 현상이 최근까지도 화두가 되고 있습니다. 2018년 3월에는 일본의 초대기업에서 마저도 리튬 사업에 뛰어들었고, 메이저 자동차사들의 배터리 사업 진출 움직임이 포착되고 있습니다.
다행히 POSCO가 남미 삼각지대 중 하나인 아르헨티나 리튬 염호 광업권을 확보하면서 국내에서도 2011년부터 연 2만 5천 톤의 리튬 생산과 수급이 가능할 것으로 보입니다. 하지만 장기적으로 리튬 자원의 한계를 고려하면 대체 기술 개발이 필수적입니다.
이에 따라 리튬을 대체할 수 있는 2차 전지 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 가장 주목받고 있는 원소가 바로 나트륨입니다. 나트륨은 양이 풍부한 만큼 자원 고갈의 염려가 없으면서 리튬과 비슷한 화학적 특징을 가지고 있기 때문에 차세대 2차 전지 기술로 주목을 받고 있습니다. 바닷물에 풍부하게 존재하는 나트륨을 활용할 수 있다면 자원 확보의 지정학적 리스크도 크게 줄일 수 있습니다.
그러나 나트륨 원자는 기본적으로 리튬보다 무겁고 크기도 크기 때문에 전송 속도나 에너지 밀도 문제에서 리튬에 비해 차이가 난다는 단점을 극복해야만 합니다. 현재 나트륨 이온 배터리가 나름 상용화 단계에서 연구가 되고 있지만 완전히 리튬을 대체하기에는 아직 연구가 더 필요한 상황입니다. 시장을 보는 시각과 논리가 다양하고 그 다양한 시각들도 서로 맞물려 있기 때문에 이 두 시장 상황을 예단하기 쉽지 않습니다.
또한 폐배터리 문제도 심각합니다. 수명이 다한 배터리를 재사용하지 못하면 환경 오염을 야기할 수 있기 때문에, 배터리 재활용 기술 개발과 순환 경제 시스템 구축도 함께 이루어져야 합니다. 전고체 배터리나 나트륨 이온 배터리가 이러한 환경 문제까지 고려한 설계로 개발된다면 진정한 의미의 지속 가능한 에너지 저장 솔루션이 될 것입니다.
200년 전 알레산드로 볼타가 쏘아 올린 작은 공이 만든 기적은 이제 우리 손안의 보조 배터리로 자리 잡았습니다. 휴대용 카세트, CDP, MP3, 노트북, 슬라이드폰, 스마트폰 등 수많은 전자기기들이 짧은 역사와 함께 나타났다가 사라져 갔지만, 배터리에 대한 수요는 오히려 시간이 갈수록 커져만 갑니다. 21세기의 황금이라 불리는 2차 전지와 리튬의 아성에 도전하는 전고체와 나트륨 배터리. 이 배터리 황금 시대의 승자가 누구일지, 그리고 살아남은 기술이 무엇일지 지켜보는 것은 우리 모두의 미래를 내다보는 일입니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=vs0GwpzL4Gg&list=PLFs8qkZ9PQlcRuyRtGShHU80UKVMsTsDI&index=1