배터리. 어디까지 왔으며 어디로 갈 것인가?
배터리. 어디까지 왔으며 어디로 갈 것인가?
대학생신재생에너지기자단 20기 이주선,황지영 , 21기 홍서현, 김수현, 박도현
배터리가 필요한 이유와 기본적인 배터리 소개
배터리 기술이 발전되기 전에는, 전기가 필요할 때 고정된 장소에서 전선을 통해 사용하는 것이 일상적이었다. 그러나 오늘날 스마트폰, 노트북, 디지털카메라 등 ‘전기를 가지고 다니는 것’은 필수이다. 심지어 환경을 위해 자동차까지도 연료 대신 전기를 통해 운행하도록 기술개발에 힘쓰는 시대가 왔다. 이러한 4차 산업혁명을 이끄는 핵심은 배터리이다. 사물인터넷의 시대가 도래하면서 전선 없이 정보를 주고받기 위해 형상이 자유롭고 용량이 큰 배터리 개발이 필수적이다.
[자료 1. 배터리 ]
출처 :pixabay
전지라고 불리는 에너지 저장 장치는 1차전지와 2차전지로 나눌 수 있다. 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 1차전지는 ‘말린 전지’라는 뜻으로 건전지라고도 하며, 수명이 다하면 버려진다. 한 번 방전이 되면 직류를 가해도 충전이 되지 않는 것이다.
[자료2. 1차전지의 구조]
출처 : 과학문화포털 사이언스올
탄소봉을 양극, 아연을 음극으로 하여 양극과 음극 사이에 전기가 통하는 물질을 흡수시킨 종이 또는 솜을 채워 만든다. 전지가 방전하면 음극의 아연(Zn)이 녹아서 Zn2+가 되어 전해액 속으로 나오며, 이때 전해질 속 화합물들은 이온으로 분해된다. 전해질 속 양이온은 녹아 나온 아연이온에 의해 밀려나 탄소봉으로 모이게 되고, 탄소 막대에서 전자를 얻는다. 그렇게 탄소봉은 양극이 된다. 따라서 (－)극에 남겨진 전자는 도선을 통해서 (＋)극으로 이동하며 전류가 흐르게 된다. 1차전지는 아연이 산화되면 다시 금속 아연으로 환원되지 않기 때문에 다시 충전되지 않는다. 반면, 2차전지에서는 계속 충전해서 사용 가능하다. 2차전지에 관해서는 본문에서 자세히 다루도록 하겠다.
본 기사에서는 현재 사용되는 배터리는 어떤 것이 있는지 그 동향과 차세대 배터리 및 전망을 알아보고자 한다.
이차전지
1. 작동원리와 현재 동향과 활용
이차전지는 소재에 따라 다양하게 분류할 수 있는데 흔히 우리가 알고 있는 이차전지는 리튬 이온전지이다. 리튬 이온전지는 현재 스마트폰, 노트북, 전기차에 널리 쓰이고 있으며 가장 대표적인 이차전지라 할 수 있다. 리튬 이온전지는 양극과 음극, 양극과 음극의 내부 접촉을 방지하는 분리막, 그리고 전해질로 구성된다.
외부로부터 전압이 공급돼 충전될 경우, 양극에 머물던 리튬이온과 전자는 음극으로 이동한다. 이때 리튬이온은 전해액을 타고 이동하지만, 전자는 양극과 음극을 잇는 도선을 타고 이동한다. 이러한 전기화학적 변환은 양극과 음극의 전위차를 발생시키며, 이는 전기에너지를 화학에너지 형태로 변환하여 저장하였음을 의미한다.
반대로 배터리를 사용하기 시작하면, 역반응이 나타난다. 음극에 있던 리튬이온과 전자들은 다시 양극으로 이동하는데 충전 시와 마찬가지로 리튬이온은 전해질을 타고, 전자는 도선을 타고 이동한다. 전자가 양극으로 돌아오면 에너지가 발생(방전)하게 되고, 이를 통해 기기를 작동시키는 게 이차전지의 기본 원리다.
방전은 외부에너지의 추가 없이 전극물질의 자발적 화학반응을 통해 이루어지며, 충전과 반대의 과정을 통해 화학에너지가 전기에너지로 변환되어 전자기기에서 사용된다.
현재 연구,개발중인 이차전지에는 리튬이온전지를 비롯하여 황 나노물질을 이용한 리튬황전지, 산소를 양극물질로 사용하는 초경량 전지인 리튬공기전지, 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리인 전고체전지, 유연하여 휘어질 수 있는 플렉시블전지 등이 있으며 이중 전고체전지는 차세대 전지 기술로 각광받으며 고체상 전해질로 인한 이슈(낮은 전기전도도, 계면 저항 등) 해결 및 리튬금속 음극의 안전성 확보와 더불어 적층 구조 도입을 통한 에너지 밀도 향상 관련 연구가 진행되고 있다.
이에 토요타, 국내 배터리 3사뿐 아니라, 전 세계의 많은 스타트업들이 개발에 매진하고 있다.
또한 리튬 이온 기반의 배터리는 전기차의 수요가 늘어남에 따라 다른 기술 기반의 배터리와 대비하여 규모를 예측할 수 없는 수준으로 성장하고 있으며, 자동차 전체 수요를 충당할 경우 그 시장 규모는 연간 700조 수준에 달할 것으로 추정된다.
2. 기업별 현재의 연구상황과 활용
전기 자동차를 충전할 때 주행 거리 확대 및 시스템 솔루션 경쟁력 확보가 중요해짐에 따라, 삼성 SDI는 미래 기존 소재의 한계를 극복하기 위한 기술 개발에 주력하고 있다. 이와 함께 이차 전지를 사용하는 기기들이 많아지고 업체 간 경쟁이 심화됨에 따라 어플리케이션의 사용 시간을 최대한 늘리고 이차전지의 충전 시간을 줄이기 위해 기존 소재의 성능 향상과 고용량 신소재에 대한 연구 개발을 강화하고 있다. LG화학의 배터리연구소에서는 Ni, Mn, Co로 구성된 양극재 소재를 개발하여 세계 최초로 휴대용 전화기, 노트북 등의 리튬 이차전지에 적용하였고, 현재 고성능 자동차용 전지를 위한 고용량/고출력 소재를 개발하고 있다. 또한, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대형 전자기기와 HEV, EV 등의 전기 자동차에 적용되는 전지를 개발하기 위해 기존 탄소계 음극 소재뿐만 아니라 고용량/고기능성 차세대 음극재를 개발하고 있다.
모바일∙IT 기기에 한정돼 있던 2차 전지는 최근 전기차라는 디바이스의 등장으로 인해 수요가 급격히 늘어나고 있다. 자동차의 동력은 지난 120년간 사용했던 석유를 동력원으로 삼는 엔진에서 신재생, 친환경 에너지원을 동력으로 하는 2차 전지로 바뀌고 있다. LG의 고품질 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄(NCMA) 4원계 배터리는 제너럴모터스(GM)의 ‘허머트럭’과 테슬라의 ‘모델Y’에 탑재되어 있다. 삼성의 자사 브랜드 프라이맥스(PRiMX) 젠5 배터리는 ‘BMWi4 신형 전기차’에 사용되었으며, SK의 약 7.9kW의 소형 하이브리드용 배터리는 ‘페라리 PHEV(플러그인하이브리드) 모델 SF90 스파이더 차량’에 탑재되었다.
수소연료전지의 작동원리와 수소충전소
수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 화학반응 시켜 전기를 생성하는 장치이다. 일반 화학전지와 달리 연료와 공기가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 화석연료를 이용하는 터빈발전방식에 비해 에너지 효율이 높으며 소음이 없고 온실가스 발생이 적은 친환경 에너지원이다. 또한 수소연료전지를 활용한 기술 중 하나인 수소연료전지차는 수소저장 탱크 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하고 생성된 전기로 모터를 돌려서 동력을 발생시키는 원리를 가지고 있다. 그렇기에 부산물로 물을 배출하며 전기모터 구동으로 소음이 적다. 이뿐만 아니라 충돌,화재,충격 시에도 안전하게 설계되어있어서 긴급한 상황에서 스택에 수소 공급을 차단하고, 화재나 위험 인지 시 탱크에 있는 수소를 대기로 방출하는 안전장치를 갖추고 있다. 수소연료전지차는 국내외 인증 기관으로부터 안정성 평가 및 수소탱크 인증시험을 통과하여 출시된다.
수소연료전지는 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 전체 반응(2H2 + O2 → 2H2O)을 통해 전자가 산화 전극에서 외부 도선을 통해 환원 전극으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
[자료 3. 수소연료전지]
출처: 네이버 지식백과
수소충전소는 수소차에 수소를 충전하는 장소를 말한다. 일반 주유소와 같은 개념인데 충전소마다 차이가 있으나, 대략 1kg당 7000~8800원에 형성되고 있다. 각 국가별 설치 기준에 따라 수소가스 검지기, 불꽃 검지기, 온도, 압력센서 및 인터록 안전장치를 충전소에 적용하고 있으며 이를 통해 수소충전소의 안전을 확보하고 있다. 현재 수소충전소의 시설을 정부에서 전체적으로 더 확대하고 있으며, 수소충전소에서는 자격요건을 갖춘 사람만 충전이 가능하다고 한다.
또한 새로운 소식으로 음식물쓰레기에서 추출한 수소를 연료로 한 차가 도로를 달릴 수 있다고 한다. 음식물쓰레기에서 생산한 수소를 직접 자동차에 충전하고 주변 충전소에 공급하는 형태의 수소 활용은 국내에서 처음 시도되는 획기적인 사업인 만큼 앞으로 수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대해본다.
미래 유망한 배터리와 시장의 방향
인류가 20세기에 내연기관으로 발전했다면 21세기의 인류는 배터리에 집중하고 있다. 인간 생체에서 벌어지는 에너지 대사를 응용해 생물학적 소재로 배터리를 만드는 공상과학 같은 혁신적 실험까지 대중들에게 다뤄지고 있다.
최근 이억원 기획재정부 1차관은 “기업의 과감한 투자에 정부도 적극 협력해 이차전지를 미래 먹거리 산업으로 중점 육성하겠다”고 하였다. 또한 이 차관은 LG에너지솔루션 공장을 방문하여 “이차전지 1등 국가 도약을 위해 이차전지 핵심 기술을 국가전략기술로 선정하고, 세제 지원을 대폭 확대했다”며 “이차전지 특화단지 구축, 차세대 이차전지 연구개발(R&D) 지원, 2000억 원 규모의 이차전지 혁신펀드 출시 등 이차전지 발전전략에 포함된 추진 과제도 차질 없이 이행 중”이라고 했다.
이외에도 기업들은 꾸준히 2차전지 생산액을 증가시켰고 전기차 전용 플랫폼과 같은 새로운 모델들의 출시로 2차전지 규모 또한 20% 가까이 증가할 것으로 예측된다. 롯데는 신사업을 확대하며 바나듐이온 배터리 제조업체 ‘스탠다드 에너지’의 지분을 확보하였다. 바나듐이온 배터리는 리튬이온 배터리와 달리, 물 기반 전해액을 사용하여 차세대 에너지저장시스템(ESS)으로 주목받고 있다.
이처럼 환경 문제와 기술의 발달에 따라 전기차와 같은 배터리 시장이 떠오르고 있다. 환경을 위하는 길이라면 어떤 방식이든 과학기술이 발전하는 것은 옳으며, 인간은 지구의 자원들이 인간의 소유라고 생각하는 것을 멈춰야만 한다.
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참고문헌
[배터리가 필요한 이유와 기본적인 배터리 소개]
1) 건전지 (Dry cell, 乾電池), 사이언스올 과학백과사전, 2016.10.17., https://www.scienceall.com/%ea%b1%b4%ec%a0%84%ec%a7%80dry-cell-%e4%b9%be%e9%9b%bb%e6%b1%a0-2/?term_slug=&sa_term=scidictionary
2) EBS다큐프라임, ”생활을 바꾼다, 에너지와 배터리”, 2019.07.04., https://docuprime.ebs.co.kr/docuprime/vodReplayView?siteCd=DP&courseId=10027453&stepId=10030459&lectId=10766094
[이차전지]
1) 황인성 기자, [눈에 쏙 배터리1] 차세대 에너지 이차전지 "누구냐 넌“ , 쿠키 뉴스 2021.09.01
http://www.kukinews.com/newsView/kuk202108310020
2) 유종태- KISTEP 기술동향브리프 | 2020-03호
file:///C:/Users/%EB%B0%95%EB%8F%84%ED%98%84/Downloads/KISTEP+%EA%B8%B0%EC%88%A0%EB%8F%99%ED%96%A5%EB%B8%8C%EB%A6%AC%ED%94%84+20-3%ED%98%B8_%EC%9D%B4%EC%B0%A8%EC%A0%84%EC%A7%80.pdf
3) 황재호 , 2차 전지 기술 및 시장 동향, 한국자동차공학회, 2021.11.14
4) 삼성SDI 공식 홈페이지, “사업별 R&D”, https://www.samsungsdi.co.kr/about-sdi/research-development.html
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http://www.rnd.lgchem.com/mobileKr/lgchem/areasofexpertise/Battery-Materials01
6) 정혜연, [경제 포커스] 2021년의 ‘핫 아이템’ 2차 전지, 월간조선, 2021.12.
https://m.monthly.chosun.com/client/news/viw.asp?ctcd=B&nNewsNumb=202112100029
[수소연료전지의 작동원리와 수소충전소]
1) 공부를 재밌게 이지쌤, There are many things I want to achieve, so i live, 수소연료전지 작동원리부터 활용까지 꼼꼼히 배워보기,20.09.05
https://blog.naver.com/code123123/222089613876
2) GS칼텍스, “수소연료전지차에 대한 모든것!:수소차의 원리와 현재 발전 상황”,21.07.12
https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=31950815&memberNo=471333
3) “수소연료전지”,네이버사전,21.09.07
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5662868&cid=62802&categoryId=62802
4) 산소통, “모티가 가봤다! 수소충전소 탐방기1-대전학하수소충전소,19.10.15
https://post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=26451498&memberNo=387676
5) 오윤주기자,”음식물쓰레기를 연료로…국내 첫 바이오 수소충전소 등장”,한겨레신문,22.03.23
https://www.hani.co.kr/arti/area/chungcheong/1035863.html
[미래 유망한 배터리와 시장의 방향 ]
1) 이동우 기자, “환경부, 올해 전기이륜차 2만대 보급 목표…보조금 180억원 지원”, 아시아 경제 ,22.02.28,https://n.news.naver.com/article/277/0005050989
2) 이음, 네이버블로그, 배터리의 미래 – ‘자원의 한계’를 넘어 지속가능한 소재를 찾아서, , 2022.01.17, https://blog.naver.com/eumbook/222623924423
3) 전준범 기자, “이억원 기재부 차관 “이차전지는 미래 먹거리…세제지원 강화””, chosunbiz,22.03.29,
4) 대신증권, 네이버 블로그, K배터리 전략을 통해 본 2차전지의 미래 ,2021.07.27,
https://blog.naver.com/daishin_blog/222447339390
5) 이정은 기자, “롯데, 헬스케어.바이오 미래사업 전력질주”, 파이낸셜뉴스, 22.03.28, https://www.fnnews.com/news/202203281759404813
