세상을 읽는 기본 상식, 2차 전지
[ 글을 시작하기 전에 ]
전기 제품이 나날이 늘어감에 따라서 배터리, 전지에 대한 필요성도 함께 증대되고 있다. 이는 앞으론 휴대용 전자기기, 전기차, 로봇 등의 산업기술로 인해서 배터리의 수명이나 중요도가 비약적으로 증대될 것으로 보인다.
< 전기자동차 내부의 2차 전지 > (출처 : 젠틀맨 클래스)이 때문에 세계적인 기업들이 2차 전지를 새로운 성장동력으로 눈여겨보고 있다. 여기에 덩달아 2차 전지 관련 업종에 대한 관심도도 뜨거워서 2차 전지가 누구나 쓰는 상용화된 단어 같은 기분이 든다.
그런 2차 전지가 무엇인지 앞으로 어떻게 활용되고 미래 산업에서의 중요도는 무엇인지에 대해서 알아보면 신문이나 뉴스를 읽고 이해하는데 많은 도움이 될 것으로 생각이 된다. 그런 의미에서 2차 전지에 대해서 정리해보았다.
Ⅰ. 2차 전지란 무엇인가?
먼저 2차 전지가 무엇인지 알아보자. 2차 전지가 있으면 당연히 1차 전지도 있을 것이다. 1차 전지를 먼저 알아보면 2차 전지에 대한 이해가 쉽게 될 것이니 1차 전지를 먼저 알아보자.
1차 전지는 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리다. 특징으로는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차 전지라고 한다. 알칼리 전지가 대표적인 1차 전지라고 할 수 있다.
< 1차 전지 2차 전지 차이점 > (출처 : LG 케미 토피아)그러면 2차 전지는 충전이 되는 전지인가? 맞다. 2차 전지는 1차 전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생한다.
충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차 전지로 꼽힌다.
다시 요약해 보자. 1차 전지는 한 번 쓰고 버린다. 2차 전지는 다시 쓴다. 그러니 1차 전지와 2차 전지의 차이점은 배터리를 재활용할 수 있느냐 없느냐에 따라서 1차와 2차 전지로 나뉜다.
그리고 현재 2차 전지는 리튬 이온 배터리이다 정도만 알아두도록 하자.
Ⅱ. 2차 전지의 종류와 중요성
2차 전지의 정의에 대해서 알아보았다. 2차 전지는 충전을 해서 재사용하는 전지이고 1차 전지는 한 번 쓰고 버리는 전지를 말한다. 그러면 왜 2차 전지가 중요해지는 것일까? 이미 답은 나와있다. 한 번 쓰고 버리지 않기 때문에 환경 보호와 경제적인 측면과 사용성 면에서 1차 전지에 비해서 중요해지게 되는 것이다.
< 1차 전지 2차 전지 종류 테이블 > (출처 : steemit)1차 전지는 한 번 사용하면 폐기된다. 대표적으로는 망간전지, 알칼리 전지, 산화은전지가 있으며 우리가 흔히 사용하는 AA 건전지, AAA 건전지, 손목시계 건전지를 생각하면 이해하기 쉽다.
이런 1차 전지를 구성하는 망간 전지는 이산화망간과 아연, 염화암모늄, 염화아연을 사용한다. 그리고 알칼리 전지는 아산화 망간과 아연을 사용하고 전해액은 알칼리성 수용액인 수산화칼륨(KOH)을 사용하는 전지다.
이 외에도 산화은전지가 있었는데 환경오염 문제로 수은전지가 전면 금지되면서 대체된 전지다. 그렇지만 이런 산화은전지도 망간 전지나 알칼리 전지처럼 1회성으로만 사용되고 폐기되기 때문에 환경오염을 일으키고 사용성의 문제가 있어 2차 전지로 대체되고 있는 추세이다.
< 2차 전지 리튬 이온 배터리 구조 > (출처 : LG 화학)2차 전지는 대표적으로는 납축전지와 리튬이온 전지가 있다. 두 개의 차이는 구성 성분에 있지만 성능을 보게 되면 납축전지의 한계를 극복하기 위해 개발된 배터리가 리튬이온 배터리다. 이 배터리는 리튬 산화물을 양극 활물질로, 흑연을 음극 활물질로, 리튬염을 전해질로 활용한다.
여기에 더해 리튬이온 전지는 분리막이라는 미세한 기공을 지닌 필름 형태의 얇은 막도 있다. 분리막은 리튬 산화물과 흑연이 직접 접촉해 열이 발생하지 않도록 하고, 기공 사이로 리튬 이온(+)이 자유롭게 오갈 수 있도록 한다. 리튬이온 배터리는 전기차, ESS, 스마트폰 등 최신 전자장비에 쓰이고 있다.
지금까지 2차 전지의 종류를 알아보았는데 그런 2차 전지가 중요해지게 된 이유는 결국 환경 보호와 연관이 있다. 1차 전지의 재활용이 불가능하다는 단점을 극복하고 재사용하는 전지를 만들고 사용성과 내구성의 보완한 것이 현재의 리튬 이온 전지이다.
이를 활용해서 지구온난화 문제 및 화석연료의 절감을 위해서 전기자동차의 개발이 가능해지고 상용화된 것이다. 전기자동차는 2차 전지의 성능에 의해서 좌우되기 때문에 전지의 성능 향상을 위한 연구가 필수적인 요소로 떠오르고 있고 차세대 전기자동차의 핵심기술은 리튬이온 전지라고 봐도 무방하다.
Ⅲ. 2차 전지 전망
지금까지 2차 전지의 정의와 종류 그리고 필요성에 대해서 알아보았다. 그러면 2차 전지의 전망은 어떻게 될 것인지에 대해서 알아보도록 하자.
2차 전지의 사용처는 이미 핸드폰, 노트북, 진공청소기, 전기드릴에 사용되는 배터리로서 선택되었으며 최근에는 차세대 이동수단으로 각광받는 전기자동차에도 장착된다.
특히 미래에는 AI, IoT, 스마트워치, 웨어러블 기기 등 4차 산업혁명 기술이 집약된 기기가 잘 작동하기 위해서는 가볍고 에너지 효율이 높은 배터리의 장착을 위해서 다양한 2차 전지의 필요성이 대두될 것이다.
전자제품에 반도체가 기본으로 들어가듯이, 전자제품을 구동하기 위해서 생명수라고 할 수 있는 배터리는 기본적으로 탑재되어야 할 것이다. 그리고 가급적 작고 경량화되면서도 수명이 긴 전지, 배터리에 대한 수요가 증가할 것이다. 이 때문에 2차 전지를 최근에는 제2의 반도체라고 부르며 각국에서 사활을 걸고 기술 개발에 뛰어들고 있으며 기업에서도 주요 전략 사업으로 육성하고 있다.
< 전기차 및 리튬 배터리 수급 전망 > (출처 : 포스코 뉴스룸)주요 리서치 기관에 따르면 글로벌 전기차 시장은 순수 전기차 기준, 2020년 300만 대에서 2025년에는 900만대로 급격하게 성장하고, 이에 따라 대표적 2차 전지인 LiB(Lithium Ion Battery, 리튬이온 배터리) 시장규모도 ‘20년 329 GWh(Gigawatt-Hour, 100만 KW를 시간당 사용하는 양의 단위)에서 2025년에 610 GWh로 연평균 22% 이상 성장할 것으로 전망된다.
*BEV(Battery Electric Vehicle, 100% 배터리에 의지하는 전기차)
*PHEV(Plug-In Hybrid, 배터리와 내연기관 동력의 혼합형 전기차)
[ 글을 마치며 ]
코로나 사태에도 불구하고 글로벌 전기차 판매가 급증하고 있다. 세계 각국이 내연기관 차량의 배기가스 배출을 규제하고 親환경차 도입을 지원하는 각종 정책을 펴 나가는 것으로 인해서 전기차 배터리 기술력이 크게 신장되고 있기 때문이다.
< 전기차 배터리 시장 전망 > (출처 : 포스코 뉴스룸)이 때문에 2020년 코로나 팬데믹 동안에도 지역별 락다운 조치가 취해졌음에도 불구하고 글로벌 전기차 산업은 완성차 기업들까지 본격적으로 뛰어들면서 더욱 폭발적으로 성장하고 있다. 이 때문에 ‘23년 배터리 수요는 916 GWh로 공급량 776 GWh를 뛰어넘는다고 예상하고 있다.
< 국가별 리튬 매장량 > (출처 : 대한금속, 재료학회)이런 2차 전지는 기술력도 기술력이지만 2차 전지를 만드는 구성 요소에 대한 자원 확보도 국제적인 이슈로 떠오르고 있다. 특히 리튬 이온 배터리의 주 원재료인 리튬은 매장량이 적고 추출이 어려운 희토류 물질이다.
리튬의 전 세계 매장량 가운데 75%가 칠레, 아르헨티나, 볼리비아 등 남미 3개국의 소금 호수에 치중돼 있다. 향후 전기차 시장의 견인으로 2차 전지 시장 또한 지속해서 상승할 것으로 보이고 이를 만들기 위한 자원의 확보가 대두되는 가운에 위의 국가들과의 관계 또한 매우 중요한 일로 부각될 것이다.
이산화탄소로 인한 대기오염, 지구 온난화, 미국 대통령 조 바이든의 ESG 정책 기조에 따른 친환경 사업의 육성이 필요해지는 점과 전기차 사업의 가속도가 가시화된다는 점이 논리적으로 연계된다. 그리고 전기차 사업의 주요 소재 중의 하나인 2차 전지와 2차 전지를 구성하는 소재 원료에 대한 이해를 함께 연관 지어 생각해보면 좋을 것 같다.
