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[아시아경제 김봉수 기자] 1800년대 처음 개발된 배터리(Battery)는 200여년이 지난 현재 인류 문명 발전의 원동력이 되고 있다. 특히 1980년대부터 개발된 리튬이온전지는 수백 번 이상 충전했다가 재사용이 가능해 전기자동차, 신재생에너지, 모바일·웨어러블 기기 등 4차 산업혁명 시대의 핵심으로 자리 잡았다.

◇리튬이온전지 작동 원리는

리튬이온전지는 전기에너지를 화학에너지로 바꿔 모아 두었다가 필요한 때에 전기로 재생할 수 있어 수백번 충전과 방전이 가능한 대표적인 ‘이차전지’다. 양극, 음극, 전해액, 분리막 등 4개로 구성돼 있다. 양극은 리튬·코발트 산화물, 음극은 흑연으로 만들어진다. 전해액은 에틸렌카보네이트 등 유기용매와 리튬염 용액으로 구성돼 배터리의 전극을 가로질러 전기를 흐르게 하는 촉매 역할을 한다. 분리막은 양극과 음극을 분리해 단락을 막는다. 리튬이온전지에 전기를 충전시키면 양극의 리튬이온과 전자가 음극으로 이동하고, 방전할 때는 반대로 음극의 리튬이온과 전자가 양극으로 이동하며 전기 에너지를 내보낸다. 다만 전자는 음극·양극 간 도선을 통해 움직이며 리튬이온만 분리막을 통과해 오간다.

우리가 보통 배터리의 용량(전기차 주행시간)을 늘리고 싶다면 리튬·코발트 산화물로 구성된 양극의 전기 저장 용량을 향상시켜야 한다는 의미다. 흑연·실리콘으로 만들어진 음극의 경우 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하는데 배터리의 수명에 큰 영향을 준다. 전해액과 분리막은 발화 등 안전성을 좌우한다. 현재 리튬이온전지에 쓰이는 전해액은 가연성이어서 공정이 불안하고 분리막이 안정적이지 못하면 화재 발생 가능성이 높다. 이에 따라 전해액을 세라믹 계열의 고체 형태로 전환해 화재 가능성을 막는 전고체 전지가 연구개발 되고 있다.

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◇BoT 시대가 온다

배터리라는 용어는 1749년 벤저민 프랭클린이 전기 실험을 하면서 처음 사용했다. 이후 1800년 이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타가 소금물에 적신 천으로 분리된 구리(Cu)와 아연(Zn) 디스크를 쌓아 전기를 저장할 수 있는 배터리를 처음으로 발명했다. 1859년 충전식 배터리의 가장 오래된 기술인 ‘납 축전지’가 발명돼 현재까지도 내연기관 자동차에 사용되고 있다.

수백 번 충전이 가능한 이차전지의 대명사가 된 리튬이온전지를 상용화한 것은 1991년 일본 소니에 의해서다. 2019년 노벨화학상을 받은 존 굿이너프·스탠리 휘팅엄·요시노 아키라 박사가 1980년대부터 제시한 기술을 기반으로 상업화된 리튬이온전지는 수백 번 충전했다가 다시 쓸 수 있다는 혁명적 기술을 제시하면서 소니의 워크맨 등 소형 모바일 전자기기를 시작으로 급성장해 왔다. 특히 최근 전기자동차에 탑재되면서 2025년쯤에는 시장 규모가 메모리 반도체를 추월할 것이라는 전망이 나올 정도다. 리튬이온전지 이전에도 납축전지, 니카드전지(Ni-Cd), 니켈수소전지(Ni-MH) 등이 있었지만 낮은 에너지 밀도 때문에 사용처가 한정됐다.

리튬이온전지는 과거 ‘벽돌 휴대폰’을 지금처럼 얇은 스마트폰으로 바꾼 일등 공신이다. 태블릿PC, 노트북 컴퓨터, 무선 마우스, 보조배터리, 무선 이어폰, 스마트워치 등 모바일·웨어러블 ICT 기기시장을 장악했다.

또 전력 생산이 태양광, 풍력 등 불안정한 자연 환경에 의존하는 신재생에너지 시대로 접어들면서 대용량의 전기 저장이 필요해지고 있다. 게다가 많은 사람들이 코로나19 팬데믹(세계적 대유행)으로 인해 온라인 생활에 열중하면서 BoT(Battery on Things), 즉 모든 기기에 배터리가 필요한 시대가 열리고 있다.

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김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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