배터리의 개념과 작동 원리
그럼 배터리란 무엇인가? 배터리는 내부에 들어있는 화학물질(활물질:active material)의 화학에너지(chemical energy)를 전기화학적 산화-환원반응(electrochemical oxidation-reduction reaction)에 의해 전기에너지(electrical energy)로 변환하는 장치이다.
모든 전지는 양극(cathode or positive electrode-외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극)과 음극(anode or negative electrode-음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극)이라는 활물질들을 가지고 있고, 분리막(separator-양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 격리막)에 의해 서로 떨어져 있으며 또한 두 전극사이의 이온 전달을 가능케 하는 전해질(electrolyte-양극의 환원 반응, 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질이동이 일어나는 매체)에 담겨져 있다. 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 load를 경유하여 양극으로 이동하고 양극에 이르러 양극 물질과 환원반응을 일으킨다.
이때, 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로의 anion(negative ion)과 cation(positive ion)의 물질이동에 의해 전하가 흐르는 작업이 완성된다. 이렇게 전해질 내부에서는 외부도선에서 계속해서 전하가 흐르도록 반응을 일으키고, 이에 힘입어 외부도선에서는 흐르는 전하로 전기적인 일을 하게 되는 것이 전지의 작동 원리이다. 이 과정을 전지로 볼때는 ‘방전(discharging)’이라고 한다. 따라서 계속하여 전지가 전기적인 일을 하게 되면, 전지의 전압은 계속 낮아지고 결국 외부에서 전하를 이동시킬 수 없을 때까지 이르게 된다. 방전된 후 폐기하게 되는 전지를 1차 전지(disposable, primary battery)라고 하고, 거꾸로 전하를 흘려주는 작업 즉, 외부에서 전기에너지를 흘려주어서 고갈된 화학 에너지를 충진-이 과정을 충전(charging)이라고 함-하여 사용할 수 있는 전지를 2차 전지(reusable, rechargeable battery)라 한다.
배터리의 발전사
1970~1985년대 Li 전지에 의해 많은 발전이 이루어진 1차 전지는 건전지로부터 시작되었다. 건전지라는 말은 전해액이 활물질에 흡수되어 jell화되면서 free electrolyte가 없다는 의미이다. 보통 전해액으로는 NH4Cl2 수용액을 사용하며 anode인 아연을 cup형태의 can으로 만들어 분리막을 넣고, MnO2 powder를 전해액과 섞어 충진한 후 탄소봉을 가운데에 꽂은 것이다. 일명 zinc-carbon 전지 또는 Zinc-Mn 전지라고도 한다.
알칼리 전지는 건전지에서 전해액을 이온 전도도가 좋은 KOH수용액(aqueous solution)으로 교체하여 power를 증대시킨 전지이다. Li 전지는 지금까지 언급한 1차 전지와는 달리 높은 전압특성을 나타낸다. Li의 높은 표준 환원 준위(stand reduction potential)로 인해 기존의 전지가 1.0~1.5 V 급인데 반해 Li 전지는 3.0 V급이다. Li 전지가 실제적으로 응용되기 위해서는 Li의 높은 반응성으로 인한 물과 같은 수용성(aqueous solution) 전해질에서의 열역학적 불안정성 등의 문제점을 극복해야 했는데, 이는 PC(propylene carbonate), BN(4-butyrolactone)등의 적절한 불수용성(non aqueous solution) 전해질을 사용하여 계면(solid electrolyte interface)에서 Li표면에 보호막(passivating film)을 형성시킴으로써 해결되었다.
이 중에서 가장 상업적으로 성공한 전지는 Li/MnO2 전지로서 자동카메라 등에 2 cell pack 형태로 많이 사용되고 있다. Li/MnO2 전지는 먼저 미국에서 개발이 시작되었으나, MnO2의 수분문제로 인하여 문제가 되어 왔다. 일본의 Sanyo사는 이 문제를 해결하여 특허를 획득하였으며, 이 전지는 1976년부터 세계적으로 인기있는 전지가 되었다
2차 배터리를 분류하면, ‘대형 2차 전지’ 와 ‘소형 2차 전지’ 로 분류할 수 있다. 크기에 따라 전지 시스템의 chemistry 및 용도가 달라진다.
대형 2차전지는 약 100여년 전 개발되었으며, 납축전지(Lead Acid Battery, 1.9 V)와 대형 Ni-Cd(Nickel-Cadmium, 1.2 V)전지가 있다. 납축전지와 Ni-Cd전지의 가장 큰 차이점은 전해질을 황산대신 알칼리 수용액을 사용한다는 점이다.
납축전지는 대부분의 자동차의 기초 전원으로 이용되고 있으며, 싼 값으로 제조 가능하고 넓은 온도 조건에서 고출력을 낼 수 있다. 또한 그 크기도 다양하여 잠수함용으로부터 무선 전화기용까지 폭넓게 사용된다. 그러나 무겁고 에너지 저장 밀도가 높지 않은 것이 단점이다.
Ni-Cd전지는 철도 차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 다양한 산업 및 군사 용도에 널리 이용되고 있으며, 최근 가스 발생을 제어할 수 있게 되어 밀폐식으로도 널리 생산되어, 전동공구 및 휴대형 가전 제품의 전원으로 이용되어 왔다. 그러나 최근 니켈 수소 및 Li 이온과 같은 고성능 2차 전지의 개발로 인하여 이용이 일부 위축되고 있는 추세이다.
소형 2차 전지는 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더나 power tool 등에 사용된다. 현재 상용화되고 있는 전지로서는 Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion 전지가 있다. 형태는 1차 전지와 유사하며 소형 2차 전지는 대형전지와 달리 maintenance가 필요 없으므로 ‘sealed 전지’ 라고도 한다
소형 Ni-Cd(Nickel-Cadmium)전지는 1960년대 유럽에서 상용화 되었다. Ni(OH)2를 양극으로, Cd을 음극으로 사용하는 전지이며, 알칼리 수용액을 전해질로 사용한다. 알칼리 수용액은 황산과 같은 산성 수용액보다 전도성이 뛰어나다는 장점이 있다.
Ni-MH 전지는 1970년대에 ‘수소 저장 합금(Hydrogen Storage Alloy)-온도와 압력의 변화에 따라 수소를 흡수했다가 방출했다가 하는 금속 합금’이 개발되면서 나타났다. 이에 따라 1990년대 초에 Ni-Cd전지에서 음극인 Cd을 수소 저장 합금으로 대체하면서 Ni-MH 전지가 상용화 되었다. Ni-MH 전지는 memory effect를 피하고, Cd이라는 공해 물질도 쓰지 않게 될 뿐만 아니라 또한 용량도 증대시켰다. 전압도 Ni-Cd전지와 동일한 1.2 V로서 기존 전지와 호환이 가능하였다. 하지만 가격이 비싸고 출력이 떨어진다는 것이 단점이며 아직까지 power tool 과 같은 고전류를 요구하는 응용기기에서는 Ni-Cd전지가 Ni-MH전지보다 선호되고 있다.
1990년대 Sony사에 의해 개발된 Li-ion전지는 높은 에너지 저장 밀도 및 전압(3.6V), 저중량의 특성으로 급속히 기존 이차전지를 대치하고 있다. Li-ion전지는 intercalation-움직일 수 있는 이온들이 주격자(host lattice)의 빈 자리 또는 그와 유사한 자리로 삽입되었다 나왔다 하는 가역적 과정-을 이용한 전극에 의해서 실현될 수 있었는데 이는 Li-ion전지의 anode재료로서 순수 Li금속을 사용할 수 없기 때문이다. 전지의 전압은 anode와 cathode의 활동도(activity)차이에 의해서 결정되므로 anode재료로서 순수 Li 금속을 쓰는 것이 가장 이상적이지만 Li 금속은 매우 반응성이 높은 금속이며, 따라서 전해질과 반응하여 수지(dendrite)상을 형성하여 전지 충-방전 효율을 떨어뜨리게 되는 치명적인 약점이 있다. 이러한 점을 극복한 것이 바로 음극을 C(cabon, graphite)로 하여 Li를 intercalation시키는 것이다. Li 이온은 음극과 양극사이를 전해질을 사이에 두고 충-방전시 왔다 갔다 하게되는 것이다. 이런 이유로 초기에는 Li 이온이 그네를 타는 것처럼 왔다 갔다 한다고 하여 “ Swing battery” 또는 흔들의자처럼 왔다 갔다 한다 하여 “rocking chair battery” 등으로 불렸으나, 일본에서 Li-ion 전지로 명명하였다. 양극 재료로는 CoO2, NiO2, MnO2등이 사용된다.
차세대 배터리 개발 어디까지 왔나
기술의 발전에 따라 시스템 및 소자는 점차 소형화되고, 마이크로시스템, 마이크로머신 등 초소형 시스템 및 소자의 개발 및 관련 시장이 향후 급성장할 것으로 전망되면서 이러한 기술 개발과 그 응용이 확대되기 위해서는 이들 초소형 소자 및 기기를 구동시키기 위한 초소형 전원시스템 개발이 필수적으로 요구되고 있다. 크기와 제조 공정들을 고려할 때 기존의 반도체 공정을 이용하여 제조되는 박막형 마이크로 전지가 가장 적합한 전원 시스템으로 알려져 있다. 또한 박막형 마이크로 전지는 DRAM 및 CMOS등 반도체 기억소자를 위한 백업 전원으로서 뿐 아니라 정보통신 관련 전기-전자기기 등의 전원으로서 응용 가능성이 높은 전원시스템이다. 이러한 박막형 마이크로 전지는 선진국에서도 아직 실용화가 되지 않은 상태로서 실용화를 목표로 한 제조공정기술 확립 및 이에 대한 독자적 기술 확보가 선행되어야 할 것이다.
또한 중대형 전지 개발과 관련하여 고효율의 신 발전방식으로 환경 친화적인 분산형 발전전원 또는 차세대 전기자동차 및 소형 기기용 전원 등으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장소로 일컬어지는 fuel cell 및 super capacitor의 연구개발에 박차를 가해야 될 것이다.
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