[아주 쉬운 뉴스 Q&A] 차세대 성장동력으로 꼽히는 배터리에 대해 알려주세요

유진희 기자 2018-06-08 10:01

[사진=삼성SDI 제공]

Q. 왜 배터리가 차세대 성장동력으로 꼽히나요?

A. 우리는 스마트폰, 노트북, 태블릿PC, 웨어러블 디바이스 등 이미 배터리가 없는 세상을 상상할 수 없는 시대에 살고 있어요. 특히 사물인터넷(IoT), 전기자동차, 태양광 발전 등 앞으로 우리 미래를 이끌 기술들은 배터리 없이 성장하기 어려워요. 이에 따라 전세계 배터리 시장 규모는 지난해 187억 달러(약 19조9300억원)에서 2020년 428억 달러(45조6200억원), 2025년 1190억 달러(126조8500억원)로 확대될 것으로 전망되고 있어요.

Q. 배터리의 역사가 깊다고 하네요?

A. 현재까지 알려진 세계에서 가장 오래된 배터리는 이라크의 수도 바그다드에서 그 모습을 엿볼 수 있을 것 같아요. ‘바그다드(Baghdad) 배터리’라고 하는데요. 이름 그대로 바그다드 근교의 호야트럽퍼 유적에서 1932년 발견됐기 때문이죠. 높이 약 14㎝, 직경 약 8㎝로 작은 항아리 모양으로 안에 원통형 구리판을 넣고 그 중심에 철봉을 꽂아 전체를 아스팔트로 고정, 밀봉한 구조로 돼 있어요. 2000년이 넘은 것으로 추정되고 있어요.

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Q. 현재는 어떤 배터리를 주로 쓰나요?

A. 가장 보편적으로 사용되는 것은 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 리튬이온(Li+) 배터리 입니다. 제품별로 들어가는 종류는 달라도 구성요소와 원리는 비슷하다고 할 수 있어요. 리튬이온 배터리 안에는 크게 4가지의 구성요소가 있어요. 바로 양극(+), 음극(-), 전해액, 분리막인데요. 리튬산화물로 양극을 만들고, 탄소화합물로 음극을 만듭니다. 그리고 양극과 음극에서 리튬이온이 이동할 수 있는 매개체 역할을 할 수 있도록 전해액을 넣어요. 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하는 것을 방지해주는 역할을 해요.

Q. 리튬이온 배터리는 어떻게 만들어지나요?

A. 리튬이온 배터리가 만들어지는 공정은 3가지 필수 단계가 있어요. 극판공정, 조립공정, 화성공정입니다. 가장 기본이 되는 공정은 극판공정으로 양극판과 음극판을 만드는 작업인데요. 조립공정에서는 양극, 분리막, 음극을 겹쳐서 돌돌 말아주는 과정인 ‘와인딩(winding)’을 거쳐요. 여기에 외장재와 전해액을 더하고 밀봉하면 조립공정이 완료돼요. 화성공정은 배터리의 활성화 작업인데요, 이 단계에서 정해진 온도, 습도에서 일정 시간 동안 보관하는 숙성, 에이징을 거치면 비로소 배터리가 완성돼요.

Q. 리튬이온 배터리에는 어떤 종류가 있나요.

A. 배터리는 형태에 따라 원통형, 폴리머, 각형으로 분류할 수 있는데요. 원통형 배터리는 작지만 고용량, 고에너지를 갖고 있어요. 그렇기 때문에 배터리 출력을 크게 높일 수 있어서 순간적으로 큰 힘을 내야 하는 전동공구, 로봇청소기, 전기자동차, 전기자전거 등에 주로 들어가요. 원통형이나 각형 배터리는 금속으로 외관이 둘러싸여 있지만 폴리머 배터리는 연성이 있는 파우치로 만들어졌다는 특징이 있어요. 덕분에 용도에 따라 사이즈와 용량을 바꿀 수 있다는 장점을 가지고 있는데요. 스마트폰, 태블릿PC, 디지털카메라 등 다양한 제품에 광범위하게 사용되고 있어요. 각형 배터리는 납작한 알루미늄 캔 모양으로 생겼는데요. 주로 노트북 등 휴대성이 중시되는 제품에 많이 쓰여요.

Q. 배터리의 충전과 방전의 원리가 궁금해요.

A. 배터리가 충전이 될 때는 양극에 있던 리튬이온과 전자(e-)가 음극판으로 들어가게 돼요. 반대로 방전이 될 때에는 음극에 있던 리튬이온과 전자가 양극으로 이동해요. 이때 리튬이온은 전해액을 통해서 전자는 도선을 통해서 각각 전달돼요. 양극에 있던 리튬이온과 전자가 음극으로 모두 이동하면 충전이 다 된 상태가 돼요. 거꾸로 음극에 저장해두었던 리튬이온과 전자가 모두 양극으로 이동하면 방전이 되는 거죠.

Q. 배터리를 오래 쓰려면 어떻게 해야 할까요.

A. 먼저 ‘배터리를 오래 사용하기 위해서는 배터리를 0%까지 완전히 방전시킨 후에 사용하는 것이 좋다’고 흔히 이야기하는데, 이것은 잘못된 상식입니다. 특히 리튬이온 배터리는 굳이 완전히 방전 후 충전을 하지 않아도 오래 사용할 수 있는데요. 기존에 사용되던 납축전지나 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지의 경우에는 배터리가 완전히 방전되지 않은 채 충전을 하면 배터리의 실제 용량이 줄어드는 ‘메모리효과’가 발생해요. 리튬이온배터리는 메모리효과가 없어 자유롭게 수시로 충전해도 좋습니다. 또한 휴대폰의 경우 통신과 디스플레이에 많은 에너지를 사용해요. 그렇기 때문에 GPS 등은 필요할 때만 켜는 게 좋아요.