옷깃만 스쳐도 인연이라고?
공기만 닿으면 충전이 되는 배터리, 공기배터리를 소개할게
배터리도 재활용하는 시대, 2차 전지
보통 리모컨, 시계 등에 사용하는 배터리를 한 번 쓰고 버리면서 아깝다는 생각을 하시지 않으셨나요? 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 1차 전지는 대표적으로 건전지나 알칼리 전지가 있는데요. 2차 전지는 1차 전지와 달리 한 번 쓰고 버리는 것이 아니라, 충전을 통해 반영구적으로 사용하는 전지를 말합니다.
2차 전지는 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지인데요. 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성되어 있습니다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생하는 원리입니다. 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며 충전, 음극에서 양극으로 이동하면 방전이 되는 식이지요.
대표적인 2차 전지, 리튬이온 전지
최근 화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해서 전기자동차와 하이브리드 자동차 보급이 늘어나고 있는데요. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 전지는 대표적인 2차 전지랍니다. 휴대전화나 노트북 등 휴대용 전자기기뿐 아니라 전기 자동차, 로봇 산업 등 미래 산업에 필요한 2차 전지는 필수적입니다.
특히, 리튬을 활용한 2차 전지는 다른 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 내는데요. 또한 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수도 있습니다. 하지만 전기자동차의 1회 충전 후 주행할 수 있는 거리가 가솔린 자동차의 주유 후 주행거리보다 상당히 부족합니다.
기존에는 단순히 전기를 저장할 수 있는 배터리를 많이 장착하는 방식으로 주행거리를 늘려왔습니다. 하지만 필연적으로 자동차 무게의 증가와 차량 가격의 상승 문제가 발생했지요. 이처럼 전기자동차의 주행거리가 짧다는 한계는 전기에너지를 저장하기 위해 사용하는 리튬이온 전지의 저장용량이 충분하지 않았기 때문인데요. 이에 고용량의 차세대 이차전지 개발은 필수적입니다.
공기와 닿으면 전기가 만들어지는 리튬공기 전지
리튬이온 전지의 용량 문제를 해결할 대안으로 리튬공기 전지를 꼽을 수 있습니다. 리튬공기 전지가 리튬이온 전지보다 큰 에너지 밀도를 갖기 때문인데요. 리튬공기 전지란 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동할 때 산소와 반응하는데 이때 얻어지는 화학반응을 전기에너지로 전환하여 전력을 생산합니다.
리튬공기 전지는 리튬이온 전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있는데요. 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온 전지보다 경량화에도 더 유리합니다. 더군다나 일상에서 쉽게 구할 수 있는 공기 속 산소를 에너지원으로 이용해 전기 에너지를 저장하고, 생산하기 때문에 매우 친환경적인 에너지 저장장치라고 할 수 있지요.
하지만 전지 작동과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제가 있었는데요. 최근 울산과학기술원과 한국과학기술원, 삼성전자 종합기술원 공동연구팀에 의해 전지 내부 유기 물질을 고성능 세라믹 소재로 대체하여 전지 수명을 늘렸습니다. 기존 리튬공기 전지가 10회 미만이었던 충방전 수명이 100회 이상으로 개선되었습니다. 그동안 리튬공기 전지를 상용화하는 데 가장 큰 걸림돌로 지적되어 온 전지 수명 저하 문제를 해결한 것입니다.
더군다나 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복하는 데 필요한 거리보다 긴 1,000km를 달릴 수 있는 리튬공기 전지를 개발하였는데요. 지구온난화로 인한 기후변화에 대응하기 위해 전기 수소차 보급은 앞으로 지금보다 훨씬 가속화될 가능성이 높습니다. 이 때문에 리튬공기 전지의 가능성은 너무나 유망하지요. 하지만 리튬 금속을 발굴할 수 있는 장소가 지나치게 제한적이고 리튬 자체의 가격과 전극으로 사용하는 희귀 금속의 가격이 비싸다는 단점이 있어요. 또한 리튬의 반응성이 좋아 배터리로 사용되고 있지만 동시에 폭발 위험도도 높다는 점이 문제인데요. 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 공기 아연 배터리가 주목받고 있습니다.
차세대 배터리 유망주, 아연공기 전지
공기를 이용한 아연공기 전지는 기존에 음극과 양극이 모두 존재했던 배터리와는 조금 다른 형태를 가지고 있는데요. 아연공기 전지는 아연과 공기 중의 산소가 만나 전자가 만들어지는 원리를 사용합니다. 아연공기 전지 내부에는 아연으로 된 음극만 존재하고 외부의 공기가 양극의 역할을 하지요.
아연공기 전지는 양극이 따로 필요 없기 때문에 여러 특징이 나타나는데요. 특히나 전지 내부에 음극만 존재하기 때문에 폭발이나 인화에 대한 우려가 없답니다. 또한 음극에 많은 양의 아연을 저장할 수 있어서 질량당 에너지 밀도가 높지요. 그뿐만 아니라 값싼 아연을 이용하기 때문에 2차 전지 가격의 20%밖에 되지 않는다고 합니다.
보통 아연공기 전지는 충전이 불가능한 1차 전지로 기능을 했었는데요. 최근 연구에 따르면 20~30번 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차 전지로도 개발이 되었다고 합니다. 하지만 수천번의 충전과 방전이 가능한 리튬이온 전지에 비해 아직 상용화에는 무리가 있죠. 하지만 가격 경쟁에서 리튬 이온 전지를 크게 차이를 보인다는 점에서 차세대 자동차용 배터리로 주목받고 있답니다. 앞으로 에너지 효율과 내구성을 더욱 향상할 수 있는 새로운 재료가 개발된다면 아연공기 전지의 실용화가 앞당겨질 것으로 기대합니다.
지구온난화로 인한 기후변화에 대응하기 위해서 우리는 화석연료를 사용하는 내연기관 차량을 완전히 대체해야만 하는 과제가 있습니다. 하지만 화석연료를 태워 작동하는 자동차만큼이나 주행거리를 확보하기 위해서는 가볍고 용량이 큰 2차 전지가 반드시 필요한데요. 특히나 상용화를 위해서는 가격경쟁력도 매우 중요하고요. 이 때문에 앞으로 공기 배터리가 해낼 역할이 상당히 기대될 수밖에 없겠네요!
하지만 전기 수소차 보급을 확대하는 동시에 먼 거리를 이동하지 않고 지역 안에서 모든 것을 해결할 수 있는 지역 중심 사회를 구축하고 자동차가 아닌 자전거와 보행 중심 도시를 만드는 작업을 동시에 병행해야 합니다. 모두가 자가용을 사용해야만 유지되는 생활양식을 완전히 벗어나야 한다는 말인데요.
이를 위해서는 노동형태의 변화, 교통체계의 변화, 공공교통의 확대 등 사회경제적 시스템의 총체적인 변화와 도시계획의 전반적인 전환을 수반해야 합니다. 그래서 매우 고되고 어려운 과정이지요. 하지만 기후위기 대응을 위해 우리가 마땅히 가야만 하는 경로입니다. 고되고 어렵다고 해서 가지 않을 수 없는 길이라면 오히려 하루빨리 그 논의를 시작해야 합니다.
거대한 전환에는 사회적 합의 과정이 반드시 필요합니다. 하지만 그 과정 또한 매우 지난한 길일 것입니다. 그렇기에 더욱이 미루지 말고 지금 당장 시작해야 합니다. 지금 당장 시작하지 않는다면 그 시기는 기약 없이 뒤로 밀리고 말 것이기 때문입니다.
<참고자료>
네이버 지식백과:2차전지(손에 잡히는 IT 시사용어)
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3586680&cid=59277&categoryId=59278
엄승욱(차세대전지연구센터), ‘Zn-air 전기 기술’, 한국전기연구원
정훈기, ‘리튬공기전지의 원리 및 동향’, 한국과학기술연구원.
박용준 등 3명, ‘리튬-공기 이차전지의 원리 및 연구동향’, 경기대학교 신소재공학과
박현식(한경대학교), ‘리튬공기전지 기술 동향’, 녹색기술정보포털
포스코 뉴스룸(특별기획:전문가리포트):2차전지, 들어는 봤는데 아직 잘 모르겠다면?
허원도, ‘리튬-공기 이차전지’, 한국과학기술정보원
허원도, ‘아연-공기 이차전지에 대한 최근의 기술동향’, 한국과학기술정보원
LG디스플레이 공식 블로그:맥락 있는 배터리의 진화 – 리튬 이온 배터리에서 공기 아연 배터리 / 나트륨 이온 배터리 / 종이 배터리까지
