그렇다면 도대체 ‘이차전지’가 뭘까. ‘전지’는 배터리라는 건 알겠는데 ‘이차’라는 단어가 왜 붙는 건지, 익히 알고 있던 건전지나 배터리와는 무엇이 다른 건지 헷갈린다. 생각보다 쉽고 보기 편하게 이차전지에 대해 소개한다.
‘이차전지’라는 이름은 다소 낯설지만, 이차전지는 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 최근 각광 받는 전기차에 탑재되는 배터리가 이차전지이고, 스마트폰·태블릿 등 모바일기기 배터리도 이차전지다. 쉽게 반복 충전해 사용할 수 있는 ‘전지(배터리)’를 이차전지라고 부른다.
반대로 한 번 쓰고 버리는 전지는 '일차전지'이다. 재충전할 수 없는 일반적인 건전지가 이에 해당한다.
스마트폰을 비롯해 MP3, 노트북 등 휴대용 전자기기가 발전하면서 ‘여러 번 충전해 다시 쓰는 전기’가 주목받으면서 이차전지 시장은 크게 성장했다. 이제 현대사회에서는 없어서는 안 될 필수요소로 여겨지고 있으며, 각종 산업에 전방위로 활용되고 있다.
이차전지 중 ‘리튬이온전지’가 대세...가볍고 다량 전기에너지 발생
이차전지는 소재에 따라서 여러 종류로 나뉜다. 현재 가장 많이 쓰이는 ‘리튬이온전지’를 비롯해 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 수소 축전지 등이 모두 이차전지다.
무게가 가볍고 전기에너지를 많이 만들어내는 특성 때문에 근래 출시되는 노트북과 스마트폰 배터리 대부분은 리튬이온전지이며, 전기차 배터리 대다수도 리튬 소재가 쓰인다.
현재 대세 이차전지는 리튬이온전지이지만, 새로운 배터리 소재 개발은 현재 진행 중이다. ‘나트륨’ 소재를 활용한 나트륨이온전지 개발이 중국을 중심으로 이어지고 있으며, 리튬이온전지의 단점을 극복하는 차세대 전고체 배터리 개발에는 전 세계가 주목하고 있다.
현재 이차전지의 대명사로 불릴 만큼 대세로 굳어진 리튬이온전지에 대해 조금 더 자세히 들여다보자.
리튬이온전지 내부를 뜯어보면 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 4개 요소로 구성돼 있다.
외부로부터 전압이 공급돼 충전될 경우, 양극에 머물던 리튬이온과 전자는 음극으로 이동한다. 이때 리튬이온은 전해액을 타고 이동하지만, 전자는 양극과 음극을 잇는 도선을 타고 이동한다.
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 작동하는 게 이차전지의 기본 원리다.
배터리의 심장 ‘양극재’...성분 조합에 따라 성능·안정성 달라져
니켈, 고성능·고용량...망간·코발트, 안정성 향상
조금 더 들어가서 배터리의 심장으로 불리는 ‘양극재’에 대해 알아보자, 양극재는 리튬이온전지에서 가장 중요한 소재로 배터리 원가의 약 40%를 차지한다. 양극재에 어떤 금속 소재가 주재료로 쓰이냐에 따라 전자의 명칭도 달라지는데 ‘리튬이온전지’는 리튬이 주재료로 쓰인 것이다.
양극재는 여러 성분이 조합돼 만들어지는데 리튬 외에도 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등이 사용된다.
니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력 특성을 향상시키는 역할을 한다. 다양한 배터리 성능을 충족하기 위해 각 배터리사들은 소재들을 적절히 조합해 배터리를 생산하고 있다.
현재 생산되는 대부분 리튬이온 배터리는 니켈·코발트·망간(NCM), 니켈·코발트·알루미늄(NCA), 리튬·망간·산화물(LMO)을 양극재 소재로 적절히 혼합해 사용한다. 리튬·인산·철(LFP)의 경우 높은 안전성으로 중국 전기차 업체가 채택하고 있지만, 에너지 밀도가 낮고 부피가 클 뿐 아니라 출력이 낮아 중국을 제외한 나머지 전기차 제조사들은 거의 사용하지 않는다.
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