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배터리
배터리(battery)는 전기를 담아두는 부품을 말한다. 배터리는 넓은 범위에서는 전지, 좁은 범위에서는 2차전지인 축전지를 뜻하는 말이다. 휴대용 전자기기의 발달로 인해 배터리는 일상에 밀접한 용어가 되었다. 스마트폰에 이어, 전기자동차, 드론 등의 확산에 따라 배터리 산업이 폭발적으로 성장하고 있다. 사물인터넷(IoT)에 빗대어 사물배터리(BoT)라는 용어도 생겨났다. 전 세계 배터리 제조의 대부분은 한국, 중국, 일본의 3개국이 장악하고 있으며, 2020년 초 기준으로 한·중·일 3개국의 시장점유율 합계는 93.8%로 압도적이다. 국가별로는 1위 한국 34.5%, 2위 중국 32.9%, 3위 일본 26.4%이다.[1] 세계 1위의 전기자동차용 배터리 생산 업체는 2019년 중국 CATL이었으나, 2020년 한국 엘지화학이 1위로 올라섰다.
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목차
개요
배터리는 전기 장치에 전원을 공급하기 위해 물리적 또는 화학적 작용을 통해 전기 에너지를 발생, 공급시키는 장치이다. 가장 흔하게 볼 수 있는 화학전지는 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. 배터리는 충전 가능 여부에 따라 충전이 불가능한 1차전지와 충전이 가능한 2차전지로 나뉜다. 1차전지는 전지 내의 전기화학 반응이 비가역적이기 때문에 한 번 쓰고 버려야 하는 일회용 전지를 말한다. 1차전지는 전지 내에 전류를 흘려줌으로써 방전 시에 일어난 화학 반응을 역으로 되돌리는 것이 불가능하다. 화학반응자들(리튬 전지에서의 리튬과 같은 원소들)은 전지에 역방향의 전류를 걸어 준다고 해서 본래의 위치로 되돌아가지 않으며, 따라서 전지의 용량이 회복되지도 않는다. 1차전지는 양극과 음극 중 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두를 소진함으로써 수명을 다한다.
2차전지(축전지)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어내고 재사용할 수 있는 장치를 말한다. 주로 쓰이는 2차전지는 납 축전지, 니켈-카드뮴(NiCd), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다. 2차전지는 1차전지가 있어야 충전이 가능하기 때문에 2차라는 이름이 붙었다. 2차전지는 1차전지에 비해 가격이 비싸지만 한 번 쓰고 버리는 1차전지에 비해 2차는 재사용할 수 있어 경제적이고 환경친화적이다. 1차전지는 장기간 에너지를 보존해야 하는 경우에 적합하다. 2차전지를 사용하면 자연 방전에 의한 손실이 장치 자체를 유지하는데 필요한 손실보다 커짐에 따라 비경제적이고 수일에서 수주 내에 교환해야 한다. 비축전지는 전지를 구성하는 양극, 음극, 전해질과 같은 구성 원소들을 분리해서 보관하고 있다가 전지를 써야 할 때 즉시 결합하여 사용하는 방식으로, 수십 년 이상의 긴 시간 동안 에너지를 보존하기 위해 제작된다. 이러한 전지는 비싸지만, 군수품 등에 이용될 수 있는데, 군수품은 장시간 보관하다가 급히 사용하는 경우가 많기 때문이다.[2][3][4]
어원
과거에는 일본식 표현인 밧데리(バッテリー)라고 불렸다. 로케트 밧데리라는 회사의 영향으로 밧데리라는 말이 널리 쓰이다가 워크맨 시절에 건전지, 충전지, 껌전지 등으로 순화되어 불리더니, 리튬 이온 배터리팩이 널리 쓰이면서 '배터리'란 용어로 바뀌어 쓰이게 되었다. 하지만 여전히 밧데리라는 표현도 종종 쓰인다. 배터리의 어원은 사실 '포병부대'에서 비롯되었다. 프랑스어가 어원이며 '때리다'는 뜻의 'battre'에서 포병부대라는 뜻의 'batterie'가 나왔다. battle(배틀)과 같은 어원을 가진다. 벤자민 플랭클린이 정전기를 담는 라이덴 병(Leyden jar)의 성능 향상을 위해 4개를 한 부대로 지정하며 배터리라 불렀는데. '같은 기능을 하는 조직의 모음'이란 뜻으로 썼으나 사람들은 전기공급장치라 읽게 된 것이 오늘날까지 이어지게 된 것이다.[5][6]
등장배경
1780년경 이탈리아 볼로냐 대학교의 생물학 교수였던 루이지 갈바니(Luigi Aloisio Galvani, 1737~1798)는 개구리를 해부하다가 개구리의 뒷다리에 황동 철사를 대었더니 꿈틀거리는 것을 목격했다. 개구리 다리가 어떤 자극을 받으면 전기가 흘러 근육이 움직인다며, 그 에너지를 동물전기라고 이름 짓고 1791년 발표하였다. 갈바니가 주장한 동물전기를 본 이탈리아의 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)가 동물전기에 의문을 품고 있다가 1800년 실험을 통해 동물전기의 오류를 증명하였다. 이 과정에서 전기가 생기는 원리를 발견하고 1800년 구리와 아연을 이용해 세계 최초의 전기 저장 장치인 볼타전지가 탄생하게 되었다.
한편 1932년 독일의 케네디(Kennedy)가 이라크 바그다드 지역에 있는 후유트라브 유적에서 기원전 3세기(약 2000년 전)부터 사용된 것으로 보이는 바그다드 전지를 발굴했다. 바그다드 전지는 중앙부에 쇠막대를 박아놓은 구리 통을 도자기로 된 항아리가 감싸는 구조를 하고 있다. 구리 통에 쇠막대가 충분히 잠기게끔 전해질을 넣고 둘을 전선으로 연결하면 전기가 흐르게 할 수 있었다. 전해질로는 술이나 식초 등을 넣은 것으로 추정된다. 볼타전지와 같은 원리로 작동하는 바그다드 전지는 금이나 은을 도금하는 용도로 사용되었을 것으로 추정하고 있다.[7][8]
종류
납축전지
납축전지는 납과 황산을 전극과 전해질로 사용하는 전지로서, 충전 방전을 통해 반복해 사용할 수 있는 2차전지이다. 납축전지는 1859년 프랑스의 플랑테(Planté)가 개발한 가장 오래된 형태의 2차전지로 현재 자동차에 널리 활용되고 있다. 이산화납 전극과 납 전극이 황산 전해질에 담겨 있는 구조를 하고 있다. 하나의 단위 전지에서 2V의 전압이 생성되는데, 일반적으로 6개의 단위 전지를 직렬로 연결해 전체 납축전지를 구성하므로 전체적으로 12V의 출력 전압을 얻을 수 있다. 구형 납축전지는 밀폐 상태가 완벽하지 않아 사용 시간이 지남에 따라 황산을 보충해 주어야 했지만, 현재 시판되는 납축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 보충의 필요성이 없고 누출의 위험도 거의 없다. 충전 과정에서는 방전 반응의 역반응이 각각의 전극에서 일어난다. 방전 반응의 전체 반응은 아래와 같고, 황산납 전극이 이산화납 및 납 전극으로 전환된다. 납축전지는 다른 2차전지에 비교해 경제적이지만 전지의 용량에 비교해 무거운 것이 단점이다. 납을 사용하기 때문에 환경 오염의 문제가 있다는 단점도 있다. 황산의 누출 위험성만 없다면 다른 2차전지들보다 안정적이다. 황산은 수십 년 동안 전 세계적으로 산업적으로 생산되고 사용되는 화학 물질 중 생산량 1위를 차지하고 있는데 축전지에 사용되는 양도 상당할 것이다. 납축전지는 자동차의 시동 및 조명 등 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있다. 골프용 카트, 지게차 등 전지의 무게가 중요하지 않은 용도로도 활용되고 있다. 산업용으로는 전력저장시스템(ESS), 전자기기 및 통신설비의 예비 전원 등으로 활용되고 있다. 전지의 무게가 문제 되는 용도에서는 최근 리튬이온전지로 대체되는 추세에 있다.[9]
니켈 수소 배터리
니켈 수소 배터리는 니켈 카드뮴 배터리를 개선한 배터리이다. 음극에 니켈, 양극에 수소 흡장 합금을 사용하고 전해질로는 80바 이상의 압력으로 압축된 수소를 사용하는데 단위 부피당 에너지 밀도가 니켈 카드뮴 배터리의 두 배에 가까워 고용량으로 만들 수 있다. 지나치게 방전되거나 충전돼도 성능이 크게 떨어지지 않고 자연적으로 충전 용량이 줄어드는 기억효과(memory effect)도 적어 휴대전화나 노트북, 핸디캠 등에 널리 사용됐다. 단위 부피당 용량이 커서 초창기 전기자동차나 하이브리드 자동차에도 두루 쓰였다. 1990년대 중반까지 니켈 카드뮴과 니켈 수소 배터리 시장을 주도한 건 일본이었다. 당시 일본의 시장 점유율은 70%를 넘었다. 세계 최초의 혼합형 자동차 토요타 프리우스가 니켈 수소 배터리를 사용했다. 니켈 수소 배터리에도 단점이 있다. 기억효과가 니켈 카드뮴 배터리보다 적긴 하지만 전혀 없진 않아서 완전히 방전하고 충전하지 않으면 용량이 줄어든다. 오래 사용하지 않으면 자연적으로 방전되기도 한다. 주행거리가 무엇보다 중요한 전기차에 이건 치명적인 단점이다. 배터리 용량이 자연적으로 줄어든다는 건 그만큼 주행거리가 줄어든다는 것을 의미하기 때문이다. 그래서 이를 개선한 리튬 이온 배터리가 등장했다.
니켈 카드뮴 배터리
니켈 카드뮴 배터리에 있는 활성 물질은 충전된 양극판, 양극에 수산화니켈 그리고 충전된 음극판, 음극에 스펀지 카드뮴이다. 전해액은 증류수에 순수한 수산화칼륨을 중량으로 20%~34%의 농도에 수산화칼륨 용액이다. 소결된 니켈 카드뮴 배터리는 비교적 판격자 구조물을 형성하는 얇은 소결된 니켈 모체를 갖고 있다. 격자 구조물은 고도로 다공성의 것이며 활성 양성물질과 활성음성 물질로 주입한다. 그때 판은 고운 망사 그물망에 니켈분말을 소결시킴으로써 형성된다. 소결된 모체에 활성 물질을 처리 중에 다른 변이는 화학적으로, 또는 열로 활성 상태로 전환하고 그 다음에 형성된다.
전반적으로, 주입과 형성의 이들의 순환에서 수많은 단계가 있다. 얇은 소결된 강판 셀은 매우 고율 충전 서비스와 방전 서비스에 이상적으로 적합하게 된다. 포켓 판 니켈 카드뮴 배터리는 도금한 강판을 구멍이 난 니켈의 포켓 안으로 또는 관 안으로 내리누른 양성 활성 물질 또는 음성 활성 물질이 있다. 활성 물질은 활성 물질 발산이 충분히 배제되도록 금속집전장치에 접촉으로 안전하게 갇힌다. 판은 순환 서비스 필요조건에 따르는 두께로서 아주 다양하게 설계한다. 니켈 카드뮴 배터리의 전형적인 개로 셀 전압은 약 1.25[V]이다. 충전전류가 니켈 카드뮴 배터리에 가해질 때, 음극판은 산소를 빼앗기고 금속성 카드뮴을 형성하기 시작한다. 양극판의 활성 물질, 즉 수산화니켈은 더 고도로 산화시키게 된다. 이 과정은 충전전류가 가해지는 동안 또는 모든 산소가 음극판에서 제거되고 오직 카드뮴만이 남아 있을 때까지 지속한다. 충전순환의 끝단으로 향하여, 셀은 가스를 방출한다. 이것은 또한 만약 셀이 과충전되었다면 일어날 것이다. 이 가스는 음극판에서 수소 그리고 양극판에서 산소로 전해액에 있는 물의 분해작용으로 발생한다. 온도뿐만 아니라 충전하는 동안에 사용된 전압은 언제 가스 발생이 일어날 것인지를 결정한다. 니켈 카드뮴 배터리를 완전히 충전하기 위해, 약간의, 그러나 근소한, 가스 발생은 일어나야 한다. 따라서 약간의 물이 사용될 것이다. 화학반응은 방전하는 동안에 반대로 된다. 양극판은 천천히 음극판에서 되찾은 산소를 포기한다. 이 과정은 화학에너지에서 전기에너지의 전환으로 귀착한다. 방전하는 동안에, 판은 전해액의 다수를 흡수한다. 재충전에서, 전해액의 높이는 올라가고, 완전충전에서, 전해액은 그것의 가장 높은 높이에 있게 될 것이다. 그런 까닭에, 물은 오직 배터리가 완전히 충전되었을 때에만 추가시켜야 한다. 니켈 카드뮴 배터리는 보통 황산납 배터리와 교체할 수 있는 것이다. 니켈 카드뮴 배터리로 황산납 배터리를 교체할 때, 배터리 실은 깨끗하게 하고, 건조하고, 그리고 이전의 배터리로부터 산의 모든 흔적에서 제거한다. 배터리 실은 씻어내어야 하고 암모니아 용액 또는 붕산 용액으로 중화시켜야 하고, 완전히 건조되도록 하고, 그 다음에 내알칼리성 바니시로 도장한다. 배터리 배수조직에 있는 대는 배터리 통기장치를 연결하기 전에 중량으로 3% 붕산과 물의 용액으로 흠뻑 적셔야 한다.[10][11]
리튬 이온 배터리
리튬 이온 배터리는 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 배터리이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 배터리는 충전 및 재사용이 불가능한 1차전지인 리튬 배터리와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 배터리와도 다르다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고 메모리 효과가 없으며, 사용하지 않을 때도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화 시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 일반적인 리튬 이온 배터리는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.
리튬 이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 양극에는 층상의 리튬 코발트 산화물과 같은 산화물, 인산철 리튬과 같은 폴리 음이온, 리튬 망간 산화물, 스피넬 등이 쓰이며, 초기에는 이황화 티타늄도 쓰였다. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다. 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있다. 전지의 용량은 mAh 또는 Ah로 표시하는데, 휴대전화에 사용하는 전지는 3,000~4,000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1,500~5,000mAh도 사용된다. 노트북에 사용되는 전지는 2,400~5,500mAh가 가장 많이 사용된다.[12]
리튬 폴리머 배터리
리튬 폴리머 배터리는 리튬 이온 배터리의 뛰어난 성능은 그대로 유지하면서 폭발 위험성이 있는 액체 전해질 대신 화학적으로 가장 안정적인 폴리머 상태의 전해질을 사용하는 배터리다. 폴리머 전해질을 사용하고 있어 누액과 폭발의 위험성이 없을 뿐만 아니라, 3mm 정도의 얇은 두께와 소형으로 제작하는 것이 가능해 디자인 특성도 뛰어나다. 최근 모바일 기기의 디자인이 중시되면서 MP3, 핸드폰, 스마트폰, 태블릿PC 등 대부분의 모바일 기기에 채택되고 있으며 빠르게 그 활용 분야를 넓혀가고 있다. 장점으로는 높은 에너지 저장 밀도를 가지고 있어 같은 크기에 더 많은 용량이 들어간다. 환경을 오염시키는 중금속을 사용하지 않아 환경 친화적이다. 폴리머 상태의 전해질 사용으로 높은 안정성을 가지고 있다. 다양한 형상의 설계가 가능하다. 단점으로는 제조공정이 복잡하여 가격이 비싸다. 폴리머 전해질로 액체 전해질보다 이온의 전도율이 떨어진다. 저온에서의 사용특성이 떨어진다.[13]
금속 공기 배터리
금속 공기 배터리는 1868년에 1차전지로 개발되었으며 에너지 밀도가 매우 높아 보청기나 미군의 군용 배터리로 쓰인다. 금속의 산화 반응을 통해 전기 에너지를 얻는 원리이며 아연 공기 배터리가 제일 많이 쓰인다. 원리가 단순하고 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 2차전지로서의 활용성이 활발히 연구되고 있다. 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있으며 관련 특허도 상당하다. 한국에서는 삼성SDI, 현대자동차, LG화학 순으로 관련 특허를 많이 가지고 있다. 리튬이 산화할 때 발생하는 에너지는 휘발유의 에너지 밀도와 비슷한 수준이다. 하지만 휘발유는 쓸수록 줄어들어 가벼워지는 반면에 금속 공기 배터리는 오히려 산소를 흡수하여 점점 무거워지므로 배터리로서의 에너지 밀도는 많이 떨어진다. 무게 증가 및 전기에너지 변환 효율을 고려한 리튬 공기 배터리의 최대 에너지 밀도는 3.5kWh/kg 수준으로, 리튬 이온 배터리의 약 10배이다. 다만 내연기관의 낮은 효율을 생각하면 실상 리튬 공기 배터리의 무게당 가용 에너지는 휘발유와 비슷하다고 볼 수 있다. 물론 이는 기술개발이 완료되어 이론상 완벽히 구현되었을 때의 이야기이다. 아직은 산화-환원 과정을 거치면서 금속의 변형이 발생하기 때문에 수명이 짧고, 효율, 방전율도 낮아서 반응성 높은 촉매의 개발 등 풀어야 할 과제가 많다.[14]
마그네슘 배터리
마그네슘 배터리는 인화성이나 폭발 위험이 있는 전통적인 리튬 이온 배터리와 달리 현대 생활에 안전하게 공급할 수 있는 가능성을 제공하고 있다. 그러나 에너지 저장 능력은 제한적이다. 연구팀은 최근 네이처 커뮤니케이션스지에 배터리 음극의 새로운 설계 발견과 저장 용량의 대폭적인 증가, 그리고 마그네슘 염화물 결합이 마그네슘을 호스트 안으로 삽입하기 전에 깨져야 한다는 기존의 결과를 뒤집는다고 보고했다. 마그네슘 이온은 호스트에 삽입하기가 어렵다고 알려져 있다. 우선, 염화 마그네슘 결합을 끊는 것은 매우 어렵다. 또한 생산된 마그네슘 이온은 호스트에서 매우 천천히 움직이며, 이로 인해 배터리의 효율이 저하된다. 새로운 배터리는 마그네슘 모노 클로라이드를 티타늄 다이설파이드와 같은 호스트에 삽입하여 에너지를 저장한다. 염화 마그네슘 결합을 유지함으로써 음극이 전통적인 마그네슘 배터리보다 훨씬 빠른 확산을 나타냈다. 연구팀은 기존 마그네슘 배터리의 경우 100mAh/g이었던 것에 비해 새로운 배터리는 400mAh/g의 저장 용량을 가지고 있다고 보고했다. 상업용 리튬 이온 배터리는 음극 용량이 약 200mAh/g이다. 리튬 배터리의 경우 3~4 볼트와 비교하여 새 배터리의 전압은 약 1V로 낮다. 높은 에너지 밀도와 결합한 고전압은 리튬 이온 배터리를 표준으로 만들었다. 그러나 리튬은 값이 비싸고 덴드라이트(dendrite) 성장으로 알려진 상태인 내부 구조의 파괴를 일으킬 수 있다. 이는 배터리 발화의 원인이 된다. 지구에 풍부한 자원인 마그네슘은 저렴하고 덴드라이트를 형성하지 않는다. 그러나 지금까지는 더 나은 음극과 더 효율적인 전해질의 필요성으로 인해 문제가 발생하고 있다. 이를 해결하기 위해 마그네슘 염화물 결합을 끊고 마그네슘만을 삽입하는 대신 티타늄 다이설파이드를 팽창시켜 마그네슘 클로라이드가 삽입되도록 하였다. 염화 마그네슘 결합을 유지하면 음극이 저장할 수 있는 전하가 두 배가 되었다. 마그네슘 모노 클로라이드 분자는 너무 커서 종래의 방법을 사용하여 티타늄 다이설파이드에 삽입할 수 없다. 연구진은 초기 연구를 바탕으로 이산화타이타타늄의 틈을 유기 기둥을 사용하여 300%까지 확장하여 개방형 나노 구조를 만들었다. 개구부는 여전히 작았고 0.57 나노 미터에서 1.8 나노 미터로 증가했지만 염화마그네슘이 삽입될 수 있다. 결합한 이론 모델링, 분광 분석 및 전기 화학 연구 마그네슘 염화물 결합의 절단 없이 마그네슘 모노 클로라이드 양이온의 빠른 확산 동력을 밝혔다. 대용량은 실온에서도 탁월한 속도와 사이클링 성능을 수반하며 다원자가 이온 배터리를 위한 다양한 효과적인 인터칼 레이션 호스트의 가능성을 열어준다. 연구팀은 더 높은 전압의 호스트에 다양한 다원자 이온을 삽입하여 결국 전기자동차를 위해 저렴한 가격으로 고에너지 배터리를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.[15]
용융염 배터리
용융염 배터리는 용융염 즉, 액체 염화나트륨(소금)을 전해질로 사용하는 배터리이다. '열 배터리'나 '액체 금속 배터리'라고도 부른다. 2차 세계대전 중 독일 과학자 게오르크 오토 에르프에 의해 발명되었는데, 당시에는 재충전이 불가능한 열 배터리로, 배터리에 500도 이상의 열을 가하여 전해질 역할을 하는 소금과 애노드 역할을 하는 금속, 캐소드 역할을 하는 금속이 액화되면서 에너지를 방출하는 방식이었다. 이런 방식의 열 배터리는 주로 알루미늄 제련 공장에서 사용되는데, 이는 열 배터리가 막대한 에너지 밀도를 지닌데다 고압의 전력을 출력해낼 수 있어, 알루미늄 전기분해 제련법에 사용되기에 적합하였기 때문이다. 이외에 유도미사일 탑재용 배터리로 사용되기도 한다. 재충전이 가능한 용융염 배터리는 1960년대부터 연구되고 있었다. 배터리용 소금의 용융점은 98도로 사실 그리 높은 온도가 아니기에, 애노드와 캐소드 역할을 하는 금속만 잘 찾는다면 상대적으로 낮은 온도에서도 작동이 가능한 배터리를 개발할 수 있다. 즉 충전 및 방전 과정에서 발생하는 열만으로도 소금의 액체 상태를 유지할 수 있게 하면 되는 것이다. 특히 태양광 발전의 대중화로 고용량의 전력을 저장할 수 있는 배터리 기술의 필요성이 대두되는 상황에서 용융염 배터리는 이에 대한 해법이 될 수 있다. 실제로 미국 MIT에서 상용화가 가능한 용융염 배터리의 개발에 성공하였다. 현재 기술로 컨테이너 크기만한 공간에 2MWh의 전력을 저장할 수 있다. 용융염 배터리는 휴대성이 아닌 경제성과 에너지 밀도에 초점을 맞춘 배터리이다.[14]
활용
4차 산업혁명
산업혁명의 변천을 보면 그 단계에 따라 에너지의 변화가 있다. 인류는 새로운 에너지원을 사용하는 방향으로 발전해왔다. 인간과 자연의 노동력에서 석탄 에너지, 전기 에너지로 에너지가 변해왔으며 또 에너지의 공급과 소비 형태 측면에서도 전력망이 보급되면서 먼 거리까지 에너지를 보낼 수 있게 되어 많은 사람들이 더욱 편리하게 에너지를 사용하게 되었다. 4차 산업혁명의 '모든 것이 서로 연결된 상태'가 가능하려면 필요한 것이 바로 배터리이다. 에너지를 지속적으로 공급받아야 하거나 소진 시 바로 보충해야 하는 시공간적 제약을 극복해주는 것이 배터리이기 때문이다. 예를 들어 인공지능 로봇의 경우 플러그가 꽂혀 있지 않은 상태에서 고작 10분 정도만 움직일 수 있다면 그것은 무용지물일 것이다. 인공지능 로봇이 빅데이터를 통한 자가 학습을 하려면 24시간 로봇이 켜져 있어야 한다. 웨어러블 디바이스, 로봇, 드론 등이 인간의 삶에 도움이 될 만큼 충분히 움직일 수 있으려면 플러그 없이 오랜 시간 에너지를 공급받아야 한다. 결국 저장장치인 배터리가 그 해결책이 된다. 시공간의 제약을 극복한 초연결 사회의 현실화는 고용량, 고효율 배터리 기술이 좌우하게 될 것이다. 스마트폰, 자동차, 집, 학교, 공장 등 세상의 모든 것이 연결되는 초연결, 초지능의 4차 산업혁명 시대에는 초연결의 핵심 기술인 배터리에 주목해야 할 것이다.[16]
전기자동차
전기자동차는 전기모터를 핵심동력으로 사용하는 자동차이다. 전기차의 종류로는 전기모터만으로 구동되는 '배터리만 이용하는 전기차'(BEV, Battery EV)와 전기플러그가 있어 전기를 외부에서 충전하는 '플러그인 하이브리드 전기차'(PHEV, Plug-In Hybrid EV)가 있다. 전기차는 전기모터를 동력으로 자동차가 곧바로 움직이므로 내연기관 자동차와 달리 엔진, 변속기와 같은 복잡한 동력전달계통이 필요 없다. 엔진에서 발생된 동력을 자동차휠에 전달해 주는 주요 동력전달 장치로는 내연기관의 경우 변속기와 클러치가 사용되고 있으나, 전기차는 변속기를 사용하지 않고 모터에서 생산된 동력을 일정 속도로 감속해 주는 감속기만이 이용된다. 전기차 시스템에는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 전기차의 성능 가격에 배터리는 가장 큰 영향을 미친다. 전기모터 또한 배터리를 통해 구동력을 발전시키고, 배터리 관리시스템(BMS)으로 배터리의 충전 방전 조절, 전압 전류 온도 감시, 냉각 제어 등을 수행한다. 실제로 볼보자동차는 2019년부터 순수 전기차와 플러그인 하이브리드, 소형 가솔린 엔진과 대형 전기 배터리를 결합한 이른바 '마일드 하이브리드'만을 출시할 것으로 발표했다.
사물배터리
스마트워치, 스마트밴드 등 사물인터넷(IoT) 기술을 접목한 사물들은 대부분 무선이다. 따라서 이러한 사물인터넷을 활용한 기기들에는 배터리가 필수적으로 필요하다. 그러면서 새로 주목받기 시작한 것이 바로 사물배터리(BoT; Battery of Things)이다. 사물배터리 시대는 말 그대로 일상 생활 곳곳에 배터리가 사용된 환경을 말한다. 특히 스마트폰, 태블릿PC, 각종 웨어러블 기기와 같은 IT 제품이 사물배터리 시대를 확실하게 열었다. 여기에 더해 최근에는 non-IT기기인 전동공구, 전기자전거 등에도 배터리가 사용되고 있다. 특히 매년 성장을 거듭하는 에너지저장장치(ESS)와 전기자동차 시장에서도 배터리는 필수품이다.[17] 언제 어디서나 자유롭게 정보를 공유하고 사용하기 위해서는 오래 사용할 수 있고 가벼우며 휴대하기 편리해야 한다. 따라서 배터리의 성능, 휴대성, 안정성, 효율성 등이 중요할 수밖에 없게 되었고, 이에 따라 배터리 개발 기술이 주목받고 있다. 배터리를 통해 소비자들은 선이 없는 '무선'의 자유를 여러 IT기기, 생활가전에서 누릴 수 있게 됐다. 또 내연기관이 없는 전기자동차를 통해 환경오염도 줄일 수 있는 등 배터리를 통해 사람들은 생활 모습과 문화에서도 변화를 느끼게 됐다. 최근에는 태양광 연계형 에너지저장장치(ESS) 등도 많이 등장해 신재생에너지의 저장공간으로도 배터리가 사용되고 있다.[18]
기타 용어
- 법률 용어 : 영미권 법률에서는 배터리(battery)가 '폭행'(구타)을 의미하는 단어이다.
- 군사 용어 : 군함의 포대(砲臺)나 포탑(砲塔), 또는 지상의 포대(고정포대 포함)나 포병의 중대 단위 부대인 포대(砲隊)를 지칭한다. 여기서 '중대'를 지칭하는 군사 용어에는 크게 battery(포대), squadron(기병 중대), company(나머지 병과) 등이 있다.
- 야구 용어 : 투수와 포수를 묶어서 말할 때 쓰이는 단어이다.
전망
배터리는 21세기를 살아가는 사람들에게 없어서는 안 될 중요한 장치 중 하나이다. 하지만 전자제품 분야 중 발전이 가장 느린 분야가 바로 배터리다. 스마트폰이나 전기자동차, 노트북을 보면 알 수 있듯이 다른 기술의 발전 속도를 따라가지 못하고 있다. 각종 미래 기술이 아직 대중화되지 못하고 있는 가장 큰 이유가 배터리 문제 때문이다. 배터리의 크기를 늘렸을 때 에너지 저장량도 늘어나지만, 충전, 방전 시 발열이 심하게 난다. 고성능 배터리의 경우 충격이나 환경에 민감하고 문제 발생 시 담을 수 있는 에너지 크기만큼 큰 에너지를 방출하기 때문에 여러 개 줄줄이 연결해서 외부로 노출된 상태로 쓴다면 지속적인 충격과 진동 때문에 연결이 분리되거나 충격, 쇼트가 발생하는 경우 화재나 폭발이 일어날 가능성이 있다. 이러한 이유에서 특정 환경에 대응하거나 기능을 발휘해야 하는 특수한 경우에 배터리를 팩으로 제조한다. 소재도 마찬가지로 리튬이나 코발트 등의 소재를 사용하고 있지만, 부존량이 매우 적고 가격도 폭등하고 있어 하루빨리 새로운 소재를 찾아내야 할 것이다.[2][19]
동영상
각주
- ↑ 안소영 기자, 〈韓 배터리, 中·日 꺾고 글로벌 '1위' 차지…"향후 2년이 고비"〉, 《조선비즈》, 2020-08-17
- ↑ 2.0 2.1 〈전지〉, 《나무위키》
- ↑ 〈일차 전지〉, 《위키백과》
- ↑ 〈이차 전지〉, 《위키백과》
- ↑ 〈배터리〉, 《나무위키》
- ↑ 〈전지〉, 《위키백과》
- ↑ 삼성SDI, 〈(배터리 여행) 배터리의 역사: 동물전기와 볼타전지〉, 《네이버 블로그》, 2017-01-25
- ↑ 몽당버터, 〈기원전 3세기부터 있었다는 '바그다드 전지'에 대한 잡썰〉, 《네이버 블로그》, 2019-03-26
- ↑ 〈납축전지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 서인수, 〈배터리가 뭐에요?〉, 《모터트렌드》, 2019-06-19
- ↑ GT허리케인, 〈1.32 니켈카드뮴베터리(Nickel-Cadmium Batteries)〉, 《항공직업전문학교》, 2018-05-17
- ↑ 〈리튬 이온 전지〉, 《위키백과》
- ↑ 오로라 모바일, 〈리튬 이온 배터리 VS 리튬 폴리머 배터리〉, 《네이버 블로그》, 2010-10-08
- ↑ 14.0 14.1 〈이차 전지〉, 《나무위키》
- ↑ Yan Yao, 〈마그네슘 전지의 획기적인 발전〉, 《국가과학기술정보센터》, 2017-08-25
- ↑ 〈4차 산업혁명과 배터리〉, 《삼성SDI㈜ 공식 홈페이지》
- ↑ 김동규 기자, 〈사물배터리(BoT)시대...들어본적 있나요? - 사물인터넷시대 필수품 배터리〉, 《이코노믹리뷰》, 2018-12-25
- ↑ 한국전력, 〈사물인터넷(IoT)이 아닌 사물배터리(BoT)?〉, 《한국전력 블로그》, 2020-08-05
- ↑ 〈배터리 팩〉, 《나무위키》
참고자료
- 〈납축전지〉, 《네이버 지식백과》
- 〈일차 전지〉, 《위키백과》
- 〈이차 전지〉, 《위키백과》
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- 몽당버터, 〈기원전 3세기부터 있었다는 '바그다드 전지'에 대한 잡썰〉, 《네이버 블로그》, 2019-03-26
- 서인수, 〈배터리가 뭐에요?〉, 《모터트렌드》, 2019-06-19
- 최형균 기자, 〈(전기차 배터리 질주)'차세대' 전고체를 잡아라〉, 《비즈니스워치》, 2020-06-05
- 안소영 기자, 〈韓 배터리, 中·日 꺾고 글로벌 '1위' 차지…"향후 2년이 고비"〉, 《조선비즈》, 2020-08-17
- 최만수 기자, 〈테슬라 '배터리 데이' 주인공은 中 CATL?…긴장한 K배터리〉, 《한국경제》, 2020-08-17
- 김혜민 기자, 〈K 배터리, 유럽 · 중국 따돌리고 '제2 반도체' 될까〉, 《SBS뉴스》, 2020-08-23
- 최지희 기자, 〈너도 나도 배터리 생산… 어제의 거래처가 오늘의 경쟁자로 돌변〉, 《조선비즈》, 2020-10-05
- 박태준 기자, 〈현대차 투자받은 '마카롱'·'코드42' 전기차 배터리 리스사업 추진〉, 《전자신문》, 2020-10-18
- 이하나, 〈전기자동차는 무엇일까요?〉, 《타고》, 2020-11-23
- 이성정, 〈배터리의 역사와 종류〉, 《타고》, 2020-12-01
같이 보기
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