배터리의 현재와 미래를 엿보다!

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하루 종일 밖에 있을 때, 휴대폰 배터리가 빨리 닳지는 않을지 걱정해본 경험이 누구나 한 번쯤은 있을 텐데요. 삶 속에 깊이 들어온 다양한 전자기기의 필수요소 중 하나가 배터리입니다. 요즘 일체형 핸드폰이 주로 출시되면서 스마트폰 구매 시 배터리의 지속시간과 성능도 주의 깊게 보는 요소 중의 하나인데요. 오늘 이 시간에는 전자기기가 발전하면서 배터리는 어떻게 바뀌었는지 차세대 배터리는 무엇이 있는지 알아보겠습니다. 


 


_ 배터리가 가져온 일상의 변화

 


  • ▲ 최초의 이동식 컴퓨터 IBM 5100 (출처: IBM)

  • 종이로 만든 것보다 가벼운 LG 그램 (출처: LG전자)

 


드라마 <응답하라> 시리즈에 나오는 휴대폰을 보신 적이 있나요? 과거에는 지금과는 다른 모양과 크기의 기기가 사용됐습니다. 랩탑(laptop) 또한 말 그대로 무릎에 올려놓고 쓰는 컴퓨터로 무게가 7~8Kg이나 되는 기기였습니다. 요즘 노트북의 무게를 생각하면 상상이 되지 않을 정도인데요. 올해 출시된 LG전자의 노트북 엘지 그램은 세계에서 가장 가벼운 노트북(860g)으로 기네스에 오르기도 했습니다. 노트북의 경량화를 위해 내부의 부품들도 변화되었는데요. 그 중 노트북 내부에서 많은 공간을 차지하는 배터리가 충전가능한 배터리로 바뀌면서 가능하게 되었습니다. 또한 예전에는 노트북 한번만 충전해도 3시간이면 방전돼 항상 충전선을 몸에 지니고 다녔다면, 요새는 한 번 충전하면 24시간 동안 사용할 수 있는데요. 이렇듯 배터리의 발명은 우리 삶에 정말 많은 변화를 가져왔습니다.  


 


_ 휴대를 위해 개발된 ‘리튬이온 배터리’ 


 

배터리를 알기 위해서는 먼저 전지를 살펴봐야 합니다. 전지는 물리의 화학적, 물리적 반응을 이용해 이 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소형 장치로 종류가 1, 2차로 나뉩니다. 1차 전지는 일회용 배터리로 사용할 때, 점차 반응판에 염이 표면에 들러붙어 성능이 떨어지는데요. 이 문제를 해결하면서 충전할 수 있는 2차 전지가 개발됐습니다. 이에 해당하는 자동차에 쓰이는 납 축전지는 저렴한 가격으로도 생산 가능해 경제적이지만, 무거워 휴대용 기기에는 적합하지 않았습니다. 이를 대신할 수 있는 대표적인 2차 전지가 바로 리튬 이온 배터리입니다.

 

▲ 리튬 이온 배터리 구성 요소

 


지금에 와서는 거의 모든 휴대기기에 들어가는 배터리가 리튬 이온 배터리라 해도 과언이 아닙니다. 리튬 이온 배터리가 휴대기기에 많이 쓰이는 이유는 세 가지인데요. 첫째, 가볍기 때문입니다. 건전지 수백 개에 달하는 양을 작은 리튬 이온 배터리로 해결할 수 있습니다. 둘째, 높은 기전력입니다. 타 전지와 비교해 힘이 세기 때문에 작동하는 데 전력이 많이 필요한 기기에도 사용할 수 있습니다. 셋째, 적은 자가방전입니다. 대기 시 소모하는 전력이 적어 오래 놔두어도 사용할 때 무리가 적습니다. 

 

물론 단점도 있습니다. ‘짧은 수명, 불안전성, 배터리 팽창’입니다. 특히 리튬은 반응성이 큰 물질이라 햇볕, 고온에 장기 노출되면 폭발할 수 있습니다. 또한, 전해액에 불순물이 들어있을 시 리튬이 반응해 기체로 바뀌는데, 이때 부피가 증가하면서 ‘스웰링 현상’이 일어납니다. 최근 아이폰 8이 이 사례 중 하나인데요. 그저 팽창만이 아니라 기체가 가연성일 경우 불이 붙을 수 있기 때문에 쉽게 지나칠 단점은 아닙니다. 

 

 

 

_ 계속 발전되는 배터리 기술, 차세대 배터리는?



  • ▲ 기존의 노트북 배터리와 비교 중인 전고체 배터리 (출처 : 보쉬)


  • ▲  SK이노베이션이 만든 리튬 이온 배터리 분리막(LiBS) (출처: SK이노베이션)

  • ▲ 2014년 공개된 플렉서블 배터리 (출처: 삼성 SDI)


리튬 이온 배터리 연구자들은 앞서 말한 단점을 보완하기 위해 핵심 요소인 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 4가지 소재의 개발을 진행하고 있습니다. ‘양극재’는 배터리 성능을 좌우하는 핵심 소재로, 업계에서는 코발트 함유량을 줄여서 출력, 안전성, 수명, 가격 면을 개선하는 중인데요. SK이노베이션은 니켈 비중을 높인 NCM811 양극재를 적용함으로써 양산 전기차에 공급할 계획에 있습니다. 충전 시 리튬 이온을 받아들이는 ‘음극재’ 재료는 흑연이 주를 이루지만, 더 많은 용량의 배터리를 위해선 새로운 음극재 개발이 중요한데요. 유력한 후보는 실리콘입니다. ‘분리막’은 양극, 음극이 접촉 못하게 하면서 리튬 이온을 전달해줍니다. SK이노베이션에서 개발한 ‘세라믹 코팅 분리막’은 기존보다 안정성, 성능이 뛰어나 2020년까지 습식 분리막 시장 세계 1위를 노리고 있죠. 


‘전해질’은 리튬 이온 전달 매개체로 액체로 많이 사용하지만, 액체로 만든 배터리는 양극, 음극이 만날 시 화재 발생 위험이 있어 폭발 위험이 없는 ‘전고체 배터리’ 연구가 활발하게 이뤄지는 중입니다. 그러나 분말 형태의 고체전해질은 액체처럼 전극으로 스며들지 않아 성능이 제대로 발현되지 않을 수 있는데요. 이 문제를 해결하기 위해 유니스트 정윤석 에너지 및 화학공학부 교수팀은 ‘액상법’으로 고체 전해질을 코팅하는 방법을 사용하고 있습니다. 리튬이 아닌 소재들을 사용한 리튬-황, 리튬-에어, 나트륨-이온, 리튬-폴리머 배터리도 연구개발 중입니다. 기존 리튬 이온 배터리보다 높은 에너지 밀도와 저렴한 제조원가, 높은 안정성 등 여러 장점이 있습니다. 하지만 배터리의 중요도가 높은 것에 비교해 다른 중요 부품 산업보다 기술 개발은 더디게 이뤄지고 있죠.




_ 차세대 배터리가 가져올 전자기기의 변화



  • ▲ 거대 리튬 배터리를 장착한 테슬라 세미트럭 (출처 : 테슬라)

  • ▲ 태양열 에너지 패널 (출처: 픽사베이)

  • ▲  파나소닉이 개발한 플레서블 리튬 이온 배터리 모델 (CG-064065.  파나소닉)

기기가 우리 삶 곳곳에 들어가게 되면서 차세대 배터리의 개발은 더 큰 혁명을 가져올 것으로 예상합니다. 앞으로의 배터리 개발은 또 어떤 변화를 가져올까요? 

먼저 전기차 상용화를 그 변화로 들 수 있는데요. 전기를 동력원으로 사용하는 전기차는 차세대 친환경 자동차로 배터리가 차량 성능의 척도라고 해도 과언이 아닙니다. 주행가능거리나 충전시간이 짧다면, 소비자가 외면하기 때문인데요. 최근에는 기업에서 한번 충전으로 300~500km를 달리거나, 6분을 충전하면 321km(200마일/EU NEDC)을 주행할 수 있는 차세대 리튬 이온 배터리 개발에 성공했습니다. 티타늄 니오브 산화물(Titanium Niobium Oxide)를 이용한 차세대 리튬 이온 배터리는 배터리 양극 용량을 두 배로 늘려 기존 배터리보다 충전이 빠르고, 더 오래 주행할 수 있다고 합니다. 


둘째, 친환경 전기에너지입니다. 태양열 에너지의 경우 태양광 배터리와 패널의 개발로 인해 생산하고 저장하는 전기 에너지가 많이 증가하리라 예측됩니다. 향후 많은 전기를 오래 보존할 수 있는 배터리 하나 만으로 4개의 방이 딸린 집이 충분히 사용할 수 있는 전기를 저장할 수 있게 될 것이라고 합니다. <에너지혁명 2030> 저자 미국 스탠퍼드대학교 토니 세바 교수는 “당장 2020년부터 태양광이 기존 화석 연료를 대체하기 시작할 것”이라고 말할 정도입니다. 한국에서도 국토의 2% 정도만 사용해도 국내에서 필요한 전기 생산량을 모두 대체할 수 있다고 합니다. 


셋째, 의료기기입니다. 웨어러블과 의료기기에 사용되는 배터리들이 더욱 안전하고 고성능화될 것입니다. 신체에 삽입되는 의료기기는 전해액 누수로 인한 독성이나, 성능의 저하로 인한 교체 등이 해결해야 할 문제였습니다. 현재 전극을 생체 친화적 소재로 만들어 독성을 없애는 연구가 이뤄지고 있습니다. 또한, 혈액 같은 인체의 체액으로 에너지를 저장할 수 있는 생체 이식형 전지의 개발로 미래에는 의료기기의 삽입형 배터리 교환이 필요 없어질 것입니다. 또한, 작고 휘어지는 배터리는 신체 내부 기기도 불편함 없이 사용될 수 있어 앞으로 헬스케어와 의료기기에서 많이 사용될 것으로 예측합니다.



배터리는 점차 발전해가고 있습니다. 더 많은 용량, 더 작은 크기, 그리고 더 안전한 배터리가 점차 나올 것입니다. 기술의 발전은 빠른 속도로 이뤄지고 있고, 이들의 융합은 생각지도 못한 변화를 가져옵니다. 주머니 속에 컴퓨터를 가지고 다니기도 하고, 자동차를 충전해서 사용하기도 합니다. 배터리의 개발로 인한 변화가 기대되지 않나요? 얼마 남지 않은 핸드폰 배터리에 걱정하며 보조배터리를 들고 다니는 일도 몇 년 뒤면 추억이 될지도 모르겠습니다.

김민석 영하이라이터 10기

 

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