[ 강좌 ] 배터리에대한이야기 (1) 최근의기술동향은모든기기들이이동중에작업이가능하도록모바일 (Mobile) 개념이기본컨셉트 (concept) 로잡혀있다. 가까운예를들자면이전의 ( 이전이라고해봐야불과 10 년도안되지만 ) 이동전화라고한다면영업사원아니면기관원들의전유물이었으나지금은이동전화가없는사람을거의찾아볼수없을만큼이동전화시장이성숙된것을봐도그렇다. 컴퓨터분야에서도예외는아니다. 90 년대초반에등장한랩탑 (laptop) 은말그대로사람의무릎위에오려놓고사용을한다는의미로무게만해도거의 7 8Kg 에육박하는대형기기였으나지금은불과 1Kg 도안되는노트북이보일정도로경량화가이루어지고있다. 그렇다면모바일시장의확대를위한필수조건으로서경량화에못지않은이동중에오래사용이가능한전원이전제가되고있다. 모바일 (Mobile) 과배터리. 바로실과바늘의관계라고할수있다. 모바일 (Mobile) 은처음부터이동을염두에두고형성된개념이기때문이며이동시에는반드시외부전원, 아니면자체적으로전원을조달할수있는전원팩 ( 즉, 배터리 ) 이필수적이기때문이다. 여기서는우리가휴대전화, 노트북, PDA 에필수불가결한배터리 ( 그중에서도리튬이온전지 ) 에대한전반적인사항을알아보도록하자. 배터리의역사
최초의배터리라고하면, 19 세기의볼타전지를최초의배터리라고알고있으나약 2 천년전의유적에서항아리에톱밥, 황산등을층층이넣은항아리형태의전지가발견되었다. 이것을보면인류가 2 천년전에배터리를사용했던것을알수있다. 배터리에대한간단한정의 배터리 (BATTERY) 는내부의물질 ( 활물질, Active material) 들이서로화학반응을일으켜서그반응에의하여전자가도선을통하는내부구조이며이도선에흐르는전자가전기에너지로변환되어전기를생성시키는기기라고정의한다. 배터리는보통두개이상의전기화학적셀 (cell) 의집합으로이루어지지만셀 1 개로이루어진단위전지 (Single cell) 도있다. 일반적으로전지 ( 電池 ) 라고불리기도한다. 여기서는배터리와전지라는용어를혼용해서사용한다. 배터리의구성및작동원리 먼저배터리는양극, 음극, 전해질, 분리막의 4 개요소로구성되어있다. 구성요소를알아보면, 양극 : cathode 로불리며외부의전자를받아들여양극활물질 (active material) 이환원. 음극 : anode 로불리며음극의활물질의산화로전자를방출. 전해질 : 환원 ( 양극 ), 산화 ( 음극 ) 반응이조화를이루도록이동이이루어지는매체. 분리막 : 양극과음극간의물리적접촉을방지하기위한차폐판. 전지의양극은전자를양이온과함께자신이환원되며, 음극은전자를외부로 ( 도선 ) 으로내어주어자신은산화한다. 이때전기를소비하는부하 ( 전등, 휴대폰등으기기 ) 와연결되었을때방전반응이진행할때화학반응이일어난다. 즉, 음극의산화반응에생성된전자는부하를경유하여양극으로들어가고, 양극에서양극의물질과결합하여환원반응을일으킨다. 이때음극과양극방향으로 Negative Ion 과 Positive Ion 의이동에의해전하가흐른다. 전해질내부에서부하로계속해서전하가흐르도록계속해서반응이일어나고도선에서는전하의흐름으로전기적으로계속적인작업이가능하다. 이것이전지에서의방전반응이다. 계속해서이처럼전기적인화학반응을지속하다보면, 전압이낮아져서결국에는전하를이동시킬수없는상태까지이르게되면사실상전지의생명은끝이다.
물론이런상태의전지를잠시나마재사용하는방법이있기는하지만, 이것은어디까지나응급용이지일상적인사용은아니다. 이응급시의처방이외에도어느정도까지는충전이가능하지만유해가스의발생등의여러가지문제로잘사용되지않는다. 이것과반대로거꾸로전하를흘려주어위의반응을지속시킬수있는, 즉재사용이가능한전지를 2차전지 (reusable battery) 라한다. 여기서전하를거꾸로흘려주는작업 ( 방전의반대개념 ) 이바로우리가일상행하는 ' 충전 ' 작업이다. 1차전지 (disposable battery) 는일반건전지등으로많이사용되며, 2차전지는우리가항상사용하는휴대폰, 노트북등에사용된다. 1차전지 (disposable battery) 일반적으로망간전지를의미하며, 이망간전지는전지중에서가장오랜역사를보여준다. 1868 년개발, 1880 년에상용화되어이후여러차례의성능개선을통하여현재에이르기까지사용되었으며, 주로전력소비가적은용도에서가격대성능비가우수하여 1 차전지중 60% 가량을점유한다. 망간전지의구성은양극활물질로 MnO₂( 이산화망간 ) 을, 음극활물질로 Zn( 아연 ) 을사용하며, 전해액으로는중성염수수용액 (NH₄Cl 과 ZnCl₂혼합 ) 을사용한다. 우리가일반적으로많이사용하는건전지가망간전지이다. 2 차전지 (reusable battery) 대부분많이사용되는 2 차전지의종류를알아본다. 특히모바일기기에많이사용되는리튬이온 (Li-Ion) 전지에대해중점적으로알아보자. 1. 납축전지 (Lead-acid) 납 (Pb) 을음극으로 PbO2 를양극으로하고전해질을 H2SO4( 수용액 ) 를사용한다. 1860 년경부터실용적인형태로개발되었으며, 폭넓은용도를나타낸다. 비교적균형잡힌성능을보이나, 무겁고에너지저장밀도는높지않다. 주용도는자동차용전원, 잠수함및군용장비등에사용됨. 최근에는환경오염의문제가심각해지면서잘사용되지않는다. 2. 니켈카드뮴 (Ni-Cd) 전지 Ni(OH)2 를양극으로 Cd( 카드뮴 ) 을음극으로사용하며, 알칼리수용액 (KOH) 을전해질로사용한다. 1899 년발명되었으며고출력이요구되는산업용및군사용도에이용되고있음. 그러나니켈수소전지의등장으로그이용이잠식되고있다.
3. 니켈수소 (Ni-MH) 전지 수소저장합금이개발되어 Ni-Cd 전지에서카드뮴 (Cd) 을수소저장합금으로대체하고용량도증대시킨전지가니켈수소 (Ni-MH) 전지이다. 1990 년대초에상용화되었으며 Ni-MH 전지가 Ni-Cd 전지에비하여불리한것은출력이떨어진다는것이다. Li-Ion 전지가나오기전까지모바일기기에채용되었다. 국내의경우휴대폰의경우에는디지털방식의휴대폰등장전까지사용되었고, 노트북의경우에는약 3 년전만해도거의모든노트북에서채용되었다. 그당시외산기종의일부, 국내기종의경우는최고급모델의경우에한하여채용되었으며, 지금도저가기종의경우니켈-수소전지가채용되는모델도있다. 니켈수소전지는 Li-Ion 전지에비해메모리효과가커서완전충전과완전방전을하지않을시는배터리의실사용시간이줄어든다. 또한무게역시리튬이온전지에비해무거운편이다. 4. 리튬 - 이온 (Li-Ion) 전지 리튬이온전지의개발역사는 1912 년으로거슬러올라간다. 그당시의 G.N. Lewis 의리튬전지연구를시작으로 1970 년대에최초의리튬이온전지가상용화되었다. 그러나이때개발된리튬이온전지는비충전방식으로서이후 1980 년대에도개발은계속되었지만충전시안전성의문제로인하여상용화의길은멀어보였다. 금속으로서의리튬의장점은금속중에서가볍고, 뛰어난전기화학적반응을보여주며, 에너지용량또한크다. 즉, 재충전 (Reusable) 전지의전극을리튬을채용하면, 높은전압, 풍부한용량이가능하다. Li-Ion 은방전특성면에서 Ni-Cd 와상당히유사하게작용하며쉽게방전되지않는특성을갖는다. 1980 년대의연구에서밝혀진바로는이리튬전지는충전시온도의상승에주의해야한다는치명적인결점이발견되었다. 무슨이야기인가하면과충전시열의상승에의해전지가폭발할수도있다는것이다. 1991 년에휴대폰에있던일본산의리튬전지가폭발, 사람의얼굴에화상을입히면서재충전가능한리튬전지가대량으로리콜된적도있다. 이는리튬금속고유의불안정성으로인해발생한사고로서이후 Li-Ion Cobalt Dioxide (LiCoO2) 같은화학물질에서나온리튬을쓰는비금속리튬전지로연구의형태가전환되었다. 비금속리튬은리튬금속보다에너지밀도에서는약간낮으나안전하고충전 / 방전시확실한예방조치를취할수있었다. Li-Ion 의에너지밀도는적어도 Ni-Cd 의 2 배이상이고부하전류량도상당히높다. 이것이리튬이온의장점이다.
이러한리튬전지의단점으로인하여충방전시의전류량의크기는항상제한되어야하며, 내부각셀 (cell) 의온도는체크가되어야한다. 이에따라충전시에각셀의피크전압을제한하고, 방전시의셀전압이낮게떨어지는것을보호하는보호회로 (PCM, Protect Circuit Module) 의채용이필수가되었다. 이러한조치로과충전시리튬전지의폭발가능성은크게줄었다. 기본적인 Li-Ion 의종류는크게 2 가지로 Coke 형과 Graphite 형으로구분된다. Coke Li-Ion은상업용전지로서최상의성능을보유하고있으나가격이비싸다는단점을가지고있으며, Graphite Li-Ion Cell 은휴대폰과노트북, 컴퓨터, 캠코더등의주요부분에서보급되고있다. 5. 리튬폴리머 (Li-Polymer) 전지 ' 포스트리튬이온전지 ' 를내세우면서시장진출을노리는새로운전지인리튬폴리머전지가관심을끌고있다. 한마디로리튬폴리머전지는현재시장을점유하고있는리튬이온전지인단점을보안한차세대전지로정의할수있다. 리튬폴리머전지는양극과음극사이에폴리머전해질을끼워넣고그외부를집전체, 외장재순으로씌운구조로되어있다. 폴리머전해질은모노마, 유기용제, 전해질염등 3 종류의물질을혼합해사용하며양극에는 2P"O₂를음극에는탄소재료를사용한다. 이리튬폴리머전지의장점은우선제작할수있는두께에서리튬이온전지를크게앞선다는점을들수있다. 이전지는고체나겔상태의폴리머를사용하기때문에두께를 1 mm이하로줄일수있다. 기존리튬이온의두께가 6 mm였던점에비추어보면 6 배나슬림화를실현했다고볼수있다. 이같은특성은전지의크기와디자인을더욱다양하게할수있어이를사용하는제품의디자인에도혁신적인변화를줄수있음은물론이다. 이전지는또안전성이높은장점도가지고있다. 액체전해질을사용하는리튬이온전지는용액이유출될경우발화로인한폭발가능성이높으며실제사고도개발초기에는실제사고도보고되었다. 따라서폭발을방지할수있는보호회로를부착하는것이불가피하다. 이와달리점성이높은겔상태의용액을사용하는리튬폴리머전지는전지에구멍이나도용액이흘러나오지않아리튬이온 2 차전지와같은발화위험이거의없다. 대형제품을만들지않을경우보호회로조차필요없으며대형제품의경우에도리튬이온전지보다간단한보호회로만있으면된다. 이와같은장점에도대량보급에있어서의장애요소인가격이비싸다는점이문제이기는해도셀가격이떨어지고수요가늘어생산수량이일정규모이상으로늘어나면규모의경제
원리에따라자연스럽게해소될것으로보인다. 생산규모의차이가현재리튬폴리머전지의가격이리튬이온전지에비해높은가장큰요인이기때문이다. 배터리의수명을늘리는방법. 방전후재충전해사용하는 2 차전지의경우, 재충전을한다해도영구적으로사용이가능한것은아니며, 일정횟수의충방전을하게되면더이상사용이불가능하며, 이를전지의수명이라고한다. 이는리튬이온전지도마찬가지로서기타니켈수소전지등과비교해서성능은우수하지만, 최대충전횟수는약 1,200 회로알려져있다 ( 최대의기술을자랑하는소니의경우에는그한계인 1,200 회를충전해도 80% 정도의성능을보여준다고한다.) 가장많이사용되는니켈수소와리튬이온전지를알아보면, 니켈수소의경우에는메모리효과 ( 뒤에서다시설명 ) 로인한성능저하문제때문에완전충전 / 완전방전이바람직하다. 리튬이온의경우아직도논란이되고있는문제가바로리튬전지에서도완전충전, 완전방전을시켜야하느냐는것이다. 이에대해한국전기연구소에서내린결론은이렇다. 리튬이온전지는완전충전 / 완전방전을하지말고조금사용하고충전하는방식으로사용하는것이다. 이후전지를사용하다용량이줄어든것을느낀다면한번완전충전 / 완전충전시키면다시용량이살아난다. 그러나이때의용량이살아난다는이야기는이온이흘러가는통로에서일부가극판까지도달하지못하는데 ( 이를가역반응이라한다.) 완충 / 완방을해주면다시잘흐르게된다. 그러나이는전지의수명과는상관이없다. 2 차전지에서의메모리효과 (Memory effect) 니켈수소전지에서는 NiOH 에서 OH 가떨어졌다붙었다하면서전하를전달하는현상이바로충전과방전이라는전기적흐름이다. 이상태에서조금사용하고조금충전하여사용한다면 NiOH 는고용체를형성하게되는데이고용체의형성은비가역적인반응이므로한번고용체가생성이되면다시는되돌아가지못하게되어남아있는용량을사용하지못하게된다. 이렇게전지가사용할수있는용량의한계를기억하는것과같은이러한현상을메모리효과 (Memory effect) 라고부른다.
따라서 Ni( 니켈 ) 계열의전지는완전충전 (100% 충전 ) 하였다가완전히방전 (0% 까지 ) 하여사용 ( 단, 전지가허용하는하한방전상태까지 ) 하는것을반복하는것이가장잘사용하는방법이다. 리튬이온전지의경우에는위에서도밝혔지만메모리현상이거의없으므로 ( 사실리튬이온전지가메모리효과가여부는아직도논란거리이다.) 조금사용하고조금충전하는사용법이바람직하다고한다. 즉, 노트북이나휴대전화를사용시에는 0% 까지방전시키지말고, 사용하다배터리잔량이얼마없을때바로충전기에꽂아충전을시키는것이효과적이다. 몇가지의 Tip 1. 1 차전지 ( 건전지 ) 가방전되었을때 : 산으로놀러가거나했을때, 전지 ( 일반적으로건전지 ) 가방전되어라디오나기타기기가작동을하지않아곤란을겪은적이있을것이다. 특히그시기가장마철이나악천후시에는더욱그렇다. 이런경우에방전된배터리를사용할수있는방법이있다. 방전된배터리를어느정도열을주어가열하면약간시간동안비상사용이가능하다. 단, 이경우는응급처치법이므로일상생활에서는사용하지않는것이좋다. 2. 휴대폰충전기는정품을사용해야하는이유 : 요즘휴대폰용충전기가많은종류가출시되고있다. 특히핸즈프리를위해정품이아닌시중유통의저가형충전기는사용시특히조심해야한다. 이런종류의충전기는과충전방지회로가없는것이대부분이라만일과충전시 ( 왜리튬이온전지에서과충전이위험한지는위에서밝히고있다.) 사고의위험이있기때문이다. 아직까지일반충전기의사용으로인한사고보고는알려지지않았으나사고가나지않는다고하더라도휴대폰에치명적인영향을줄것이라고추측하기는어렵지않다. 이와같이간단하게나마배터리의역사및종류에대해알아보았다. 지금배터리의경우리튬이온이주종을이루고있고, 앞으로는리튬폴리머전지의개발로인해폴리머전지의수요가확대될것이다. 또한최근에는환경의대두로인하여각기업에서는환경친화쑁적이고고효율의전지를개발하고있다. 더욱경량화되고, 효율이좋은배터리를기대해보자.