우리가 등하교하면서, 출퇴근하면서, 또는 여행하면서 손에 꼬옥 붙이고 다니는 핸드폰이 세상에 존재하지 않는 삶은 상상조차도 끔찍하겠죠?
오늘은 우리의 삶에서 뗄레야 떼 놓을 수 없을 정도로 중요해진 배터리의 기초에 관해서 쉽게 쉽게 알아보는 시간을 가지겠습니다.
1차전지, 2차전지(일차전지, 이차전지)라는 단어는 배터리에 관심이 없는 일반 사람들일지라도 한 번 쯤은 들어 보셨을 겁니다. 이 1차, 2차라는 게 무슨 의미인지 궁금하신 적이 있으신가요? 있으시다면, 함께 간단하게나마 알아보도록 할까요?
1차전지란?
화학전지는 크게 1차전지, 2차전지, 연료전지로 나눌 수 있는데, 이 중 1차전지와 2차전지를 나누는 기준은 바로,
'재충전이 가능하느냐, 불가능하느냐' 입니다.
한 번만 쓰고 버린다, 재충전해서 다시 쓴다. 이 두 가지를 생각해보면 쉽게 구분을 지으실 수 있을 거에요. 쉽게 말하자면 한 번만 쓰고 버리니 1차전지라 하고, 재충전해서 두 번째로 또 쓰게 되니 2차전지가 되는 것이죠. 정말이지, So Simple, 간단하기가 그지없습니다. 단, 조금 어려운 말로 하자면 전지의 화학적 반응이 가역적이지 않으므로 재사용이 불가능하다고 할 수 있겠습니다.
1차전지로는 망간(망간을 요즘은 망가니즈라고 하죠.) 건전지, 알카라인 건전지, 이산화망간 리튬전지, 불화흑연 리튬전지, 이산화황 리튬전지 등 정말 많은 종류가 있습니다.
아니, 두 번, 세 번, 열 번 충전하고도 또 쓰는 전지가 있는데 왜 한 번 쓰고 버리는 전지를 사용하나, 그리고 그 종류는 또 뭣 하러 이리도 많은가, 싶으시죠?
별 볼 일 없는 것 같은 1차전지지만, 나름대로 장점이 있답니다. 한 번 쓰고 나면 그걸로 끝이니 가격이 저렴한 것이지요. 그래서 비교적 간단한 제품을 사용할 때 많이 쓰입니다. 제 아무리 택시가 편하다고 한들 버스 한 정거장 거리만큼을 가는데 택시를 탈 필요가 없고, 집 앞의 편의점을 잠깐 들르는데 옷을 차려입고 풀 메이크업을 할 필요가 없듯이 말이죠. (물론 강박적으로 그러시는 분들도 계시겠습니다만... :3)
거기에 그치지 않고, 1차전지에겐 또 다른 장점이 있습니다. 여러분은 100%로 만충하고 사용하지도 않은 휴대폰의 배터리를 확인해보니 잔량이 70%, 80%여서 눈이 휘둥그레졌던 기억이 있으신가요? 이처럼 전지는 자연적으로 방전이 될 수밖에 없습니다. 이는 배터리 내부의 화학적인 반응 때문인지라 어쩔 수 없는 부분인데요. 1차전지는 이 자연적인 방전이 2차전지와 비교하면 상당히 적은 편이다라는 것이 바로 그 장점입니다. 다시 쓸 수 없다는 치명적인 단점에도 불구하고, 이러저러한 이유로 시계, 인터폰, 모터, 리모컨, 저가 무선 마우스 등에 많이 쓰이는 것이 바로 이 1차전지랍니다.
- 그렇다면 2차전지는?
2차전지는 여러분의 휴대폰에 많이 쓰이는 리튬이온전지를 포함해서 납 축전지, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지 등이 있습니다. 각자의 장단이 있는 전지들입니다. 그중 핸드폰, 전기차 등 대부분의 전자제품에 쓰여 여러분에게 가장 친숙한 리튬이온 이차전지를 대표로 들어 말씀드리려고 합니다.
1차전지는 앞서 말씀드렸다시피 한 번만 사용(방전)이 가능하기 때문에 여러 번, 많게는 몇 천 번에 달하는 재충전이 가능한 2차전지에 반해 훨씬 더 많은 자원을 소비한다고 할 수 있습니다. 또한 전지는 방전 후의 화학물질이 환경을 오염시킨다는 단점이 있기 때문에, 결국 더욱 중요하게 알아봐야 할 전지는 2차전지가 되겠습니다.
2차전지에는 흔히 4대 조건이라고 불리는 것이 있는데요, 이는 양극, 음극, 전해질, 분리막입니다.
리튬이온 전지는 리튬이온의 움직임에 따라 충전과 방전이 이루어지는데요, 이 리튬이온은 충전 시 양극의 활물질이라는 곳에서 나와(이를 ‘탈리’된다고 합니다.) 분리막을 통과해 음극으로 가고, 방전 시 다시 분리막을 통과해 양극으로 돌아갑니다. 이때 외부의 도선을 통해(내부의 분리막을 통해X) 전자가 왔다 갔다 하면서 전기가 발생하고, 충방전이 되는 것이랍니다.
양극과 음극은 간단히 말해, 각각 배터리의 성능과 특성을 결정하는 물질들이 있는 곳입니다. 특히 양극의 활물질은 배터리의 성능을 결정짓는다고 해도 과언이 아니지요. 양극 활물질의 종류로는 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 니켈 코발트 망간 등이 있습니다.
그럼 전해질은 무엇일까요? 전해질은 양극과 음극 사이에 존재하는데요, 리튬이온은 이 전해질을 통해 왔다 갔다 원활하게 이동할 수가 있습니다. 한마디로 리튬이온의 셔틀, 버스 같은 존재지요.
분리막은 양극과 음극이 만나 펑! 하는 사고가 나지 않도록 양극, 음극을 서로 분리해주는 역할을 합니다.
어, 아까는 양극과 음극 사이로 리튬이온이 왔다 갔다 한다 했던 거 같은데 웬 막이냐구요? 네, 맞게 들으셨습니다. 단, 이 분리막에는 리튬이온만 들락거릴 수 있는 미세한 구멍이 있어서 이 모든 과정이 가능한 것이랍니다. 가까이에서 보면 아주 미세한 구멍들이 송송 나있지요.
이 과정에서 전자를 잃게 된 전극을 산화 전극(애노드), 얻게 된 전극을 환원 전극(캐소드)이라고 합니다. 그러니까, 충전 과정에서의 캐소드는 전자를 받는 쪽인 음극, 애노드는 전자를 방출하는 쪽인 양극이 되는 것이지요. 반대로 방전 과정에서의 캐소드는 양극, 애노드는 음극이 되는 것입니다. 아, 뭔 소리지? 헷갈리니까 정리해보도록 할게요!
| 양극 | 음극 | |
| 충전 | 애노드, 산화 전극 | 캐소드, 환원 전극 |
| 방전 | 캐소드, 환원 전극 | 애노드, 산화 전극 |