어릴때 가장 재미있는 것은 건전지였다. 전기가 들어있다는 그 자체가 아주 재미있는 것이다. 작은 꼬마전구에 불이 들어오고, 모터를 움직일 수 있는 건전지는 너무도 신기했다. 이를 영어로 배터리(battery)라고 부르는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지이다. 그런 전지가 용량이 채워져 있는 건전지(storage battery)이다. 앞에 건전지라는 자동차의 배터리같이 액체 상태가 아닌 마른 상태의 전지라는 뜻이다. 대학시절에는 충전지(rechargeable battery)를 이용해서 워크맨이라는 작은 녹음기를 주로 사용했다. 충전지가 있으니 비싸더라도 이를 주로 사용하였다.
2차전지란 이름은 전지를 두번(또는 그 이상) 쓸 수 있다는 뜻이 아니라 1차전지(소재만 연결하면 전지가 되는 것)가 있어야 그것으로 충전시켜 전지를 만들 수 있었기 때문에 2차라는 이름이 붙었다. 조립만 하면 간단히 만들 수 있는 전지(1차)와 전기를 충전하고, 충전된 전기를 사용하는 방전을 반복하면서 재사용할 수 있는 2차전지라는 용도로 적절하게 사용되어 왔다.
2차전지는 재사용이 불가능한 1차전지보다 경제적이고 환경 친화적이다. 우리 주변의 AA 또는 AAA 건전지로 비교해보면, 충전지의 가격은 1회용 건전지보다 몇배 비싸지만 제품에 따라서는 500~2,100회까지 재사용을 보장한다. 1차전지에 무리하게 충전을 시도할 경우 누액이 발생하거나 심지어는 폭발할 가능성도 있으므로 주의해야 한다.
주로 쓰이는 2차전지는 자동차의 납 축전지(lead-acid accumulator), 워크맨의 니켈카드뮴전지(NiCd), 니켈수소전지(NiMH), 휴대전화, 스마트폰의 리튬이온전지(Li-ion), 리튬이온폴리머전지(Li-ion polymer), 리튬인산철전지(LiFePO4) 등이 있다.
리튬은 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속하며, 원자번호는 3이다. 다시 말해 지구상에 존재하는 물질 중 세번째로 가벼운 물질이다. 리튬을 활용한 2차전지는 보통 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 낸다. 일반전지의 전압은 약 1.3~2볼트가량인데, 리튬이 포함된 전지의 전압은 3볼트 이상이다. 또한 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
포스코는 세계 유일하게 폐2차전지로부터 리튬을 생산하는 기술과 광석인 리튬정광으로 리튬을 추출하는 기술을 함께 개발하는 성과를 이뤄냈다. 이로써 연간 5만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망된다. 리튬 5만5,000톤은 전기차 약 110만~120만대분의 배터리를 제조할 수 있는 분량이다.
스마트폰에 사용되는 리튬이온충전지는 기술의 발달과 리튬이라는 높은 에너지 밀도를 자랑하는 소재의 활용으로 특히 발달하였다. 기존의 NiCd나 NiMH보다 큰 전류를 필요로 하는 휴대기기는 리튬이온전지가 적극 사용되고 있다.
과방전시 용량감소가 매우 크고 과충전시에는 매우 불안정해지며 전력밀도가 매우 높고 전해액이 유기용제라 내부전극에서 쇼트가 나거나 강한 외부충격을 받으면 폭발할 수 있다. 또한 40~50% 이하인 채로 방치할 때 열화의 정도가 커지며 제조후 사용하지 않아도 열화가 일어나서 전체적인 용량이 줄어든다. 대개 수명은 2~3년 정도이다.
이러한 단점에도 사용하는 이유는 단지 전력 밀도가 매우 높고 고속충전, 고율방전이 유리한 것이 단점을 무시할 만한 수준으로 좋기에 사용하는 것이다. 크기는 손바닥 정도이고 무게는 200g도 안되는 휴대폰에 3,000~4,000mAh짜리 배터리를 집어넣는 것을 가능하게 만든 주인공이다.
그중에 배터리팩이라고 하는 것을 살펴보자. 여러 배터리셀을 하나로 합쳐 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행할 수 있도록 만든 것이다. 카메라, 스마트폰, 무전기, 노트북 컴퓨터, 무선모형 등에 장착된 충전지가 대표적이다. 국내에서는 배터리팩이라고 하면 보통 보조 배터리를 지칭한다. 보조 배터리는 배터리팩의 일종인 셈이다.
전동자전거나 전기자동차와 같이 많은 양의 전력을 소비하는 경우 적게는 한두개 많게는 수십개에 달하는 배터리가 한데 묶여져 하나의 배터리팩을 이룬다. 전동 무선모형을 다루어 봤으면 쉽게 이해하겠지만, 하나 하나의 배터리를 원하는 전압, 용량과 방전량에 맞추기 위해 적절하게 직렬, 병렬로 연결해서 한데 묶어 사용한다.
보통 전력량을 보면 적게는 5A 정도에서 많게는 수백A에 달하다 보니 각 배터리 별로 정밀하게 특성이 일치하고 균일한 품질로 제조된 제품을 묶어야 한다. 또한 보호회로도 단순히 과충‧과방전 방지를 넘어서서 배터리의 상태를 점검하고, 이상 발생시 보호회로에서 처리하며 배터리간 특성을 잡아주도록 시도하는 등의 복합적인 배터리 관리 시스템 역할을 수행하는 BMS 회로를 장착하게 된다.
그럼 왜 배터리를 따로 사용하지 않고 팩으로 제작하는가? 그 이유는 배터리를 따로 뽑아두었을 경우 그 배터리는 생각보다 대단히 연약하고 사고 위험과 동작 신뢰성 등에 큰 장애를 초래할 수 있다. 고성능 배터리는 충격이나 환경에 민감하고 문제가 발생할 경우 담을 수 있는 에너지의 크기만큼 큰 에너지를 방출한다.
이런 배터리를 그냥 여러개 줄줄이 연결해서 외부로 노출된 상태로 쓴다면 지속적인 충격과 진동에 의해 연결이 분리되거나 충격, 쇼트라도 발생하는 날에는 화재나 폭발이 일어날 가능성이 있다. 이러한 이유에서 특정 환경에 대응하거나 기능을 발휘해야 하는 특수한 경우에 배터리를 팩으로 제조하는 것이다. 그래서 배터리팩은 외부의 요인에 의한 위험성, 특정기기나 환경에 대해 대응할 수 있도록 구성한 장치이다.
또 다른 이유로는 배터리 자체가 크기를 무작정 키울 수 있는 물건이 아니기 때문이다. 작은 배터리를 여러개 묶는 것보다 큰 배터리를 만들고 거기에 팩을 씌우는 것이 공간 효율이 더 좋을 수 있으나, 큰 배터리를 만들고 외부 충격에 대한 내구성, 수명, 출력 등등 품질을 보장하는 일은 생각보다 매우 어렵다.
예를 들어 가로 세로 높이를 각 2배씩 늘렸을 때의 에너지 저장량은 8배가 된다. 당연히 충전과 방전시 열도 그만큼 나게 되는데, 대형 배터리는 부피에 비해 표면적이 작아 열 배출이 훨씬 취약하다. 조금만 흠집이 나도 전체가 모두 타 버릴 수밖에 없다.
오늘날 대세가 된 리튬이온‧리튬폴리머배터리는 케이스가 찢어질 정도의 충격을 받으면 짧은 시간내에 발화한다. 그냥 화학제품이니까 넓고 크게 만들면 됨에도 불구하고 굳이 공간 활용이 효율적인 매우 큰 배터리를 만들지 않고 작은 배터리를 붙이는 것이 바로 그 이유이다.
RC가 전동화되기 시작한 것은 물론 배터리 기술 덕분이다. 사실 엔진 RC에서도 배터리는 필요하다. 2차전지가 발달하기 이전에는 크고 무거운 납 축전지 정도밖에 재사용이 가능한 배터리가 없었다. 엔진 RC에는 1차전지를 사용했고, 전동 RC는 발달하지 않았다. 그러나 니켈-카드뮴전지가 개발되자 납 축전지보다 작고 가벼우며 충전해서 재사용이 가능해 경제적이라는 이점을 살려 전동 RC가 발달하고 엔진 RC에도 수신기용 배터리로 사용되기 시작했다.
RC에 사용되는 배터리는 니켈-카드뮴전지(NiCd)에서 보다 고용량의 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH)전지로 진화하였다. 이후 리튬폴리머배터리가 발전하면서 항공 RC도 급물살을 타게 된다. 육상 RC 역시 브러시리스 모터와 리튬폴리머배터리로 많이 넘어가는 추세이다.
배터리의 스펙은 전압, 용량, 방전율로 표시하는데 전압은 니카드 및 니켈수소는 셀당 1.2V, 리튬이온 혹은 폴리머는 3.7V이다. 그래서 셀 수로만 표기하기도 한다. 용량은 mAh로 표기하는데 한시간 동안 모든 용량을 다 쓴다면 몇 밀리암페어의 전류를 공급할 수 있는가 하는 단위이다. 방전율(Current rate)은 이 전류량의 몇배까지 전류를 뽑아낼 수 있는가이다.
용량이 2,000mAh, 즉 2Ah에 방전율이 30C인 배터리라면 최대 60A의 전류를 뽑아낼 수 있다는 뜻이다. 물론 그 전류는 다른 곳이 아닌 바로 배터리에서 나오는 것이므로 30C의 출력이 계속되면 배터리는 2분만에 방전되게 된다. 2009년에 이미 45C의 방전율을 가진 리튬폴리머 배터리가 발매되었으나, 당연히 방전율이 높을수록 비싸기 때문에 헬기나 고속 파일런기(모형비행기)와 같은 데 쓰인다.
현재 헬기 쪽에서는 50C 이상, 60~65C 정도의 제품도 출시되고 있다. 덧붙여 RC용이 아닌 노트북 등에 사용되는 리튬이온 배터리나 휴대폰에 사용되는 리튬폴리머배터리의 방전율은 1C 정도라고 한다. 중국산 저가 리튬이온 배터리의 경우 실제 방전률이 0.3C 정도에 불과한 경우도 있다.
우리가 레저활동시 사용하는 스포츠용 배터리팩은 오래전부터 등산 낚시 캠핑 등 필드(야외) 환경에서 충분한 전력을 공급하기 위해 범용적이고 호환적인 전압인 12V에 큰 전류를 장기간 공급해주기 위해 개발된 장치이다. 이런 제품들은 여러 기능을 제공하며 어마어마한 용량과 아주 복잡한 회로와 시스템을 갖추고 있다. 심지어 이러한 캠핑용 배터리팩의 경우 밀도에서도 밀리지 않아 12V 200AH급의 배터리팩이 자동차의 축전지보다 작다.
용량과 성능이 어마어마하다 보니 동시에 스마트 디바이스 10여대 이상씩 충전할 수도 있고 심지어 필드에서 전자레인지를 돌리고 커피포트와 전기장판까지 쓰고도 용량이 남는다.
배터리뱅크는 각 배터리의 특성이 틀어지지 않게 잡아주기 위해서 단순 보호회로가 아닌 각 배터리별 균형을 잡아주는 셀밸런스시스템이 자체적으로 지원되며, 한 배터리의 충전 이상 발생시 해당 배터리의 전압을 중단시키거나 방전시켜가면서 다른 배터리와 함께 충전 성능을 일정하게 유지하는 등의 배터리 매니지먼트 시스템(BMS) 회로가 기본으로 장비된다. 심지어 BMS에 셀밸런스 기능이 탑재되어 있는 상태에서 충전기를 이용하며 셀밸런스를 다시 잡아줄 수 있는 밸런스 충전 단자가 따로 마련되어 있는 제품들이 많다.
야외에서는 배터리를 충전하기 위해 보통은 태양전지판을 이용한다. 시스템 구성은 태양전지-충전회로-배터리팩 순서로 되어 있다. 당연히 배터리팩 규모가 어마어마하다 보니 태양전지도 100~200W급을 이용하기도 하며 그 시스템의 규모로 따져본다면 웬만한 아파트 베란다 태양광 발전 규모보다도 더 클 수도 있다. 자동차 루프에 설치하거나, 접이식으로 태양광 발전을 한다.
한겨울철 아주 좋은 비상용 차량 시동배터리로 사용하기에 안성맞춤이다. 레저 스포츠용 배터리 팩에 들어가는 리튬전지는 일반 휴대기기에 사용되는 리튬망간산화물, 리튬망간코발트산화물 배터리와 달리 리튬인산철 배터리로 전압을 3.2Vx4=12.8V로 2Vx6셀인 자동차용 납축전지의 12V에 근접하며 순간 방전율도 다른 리튬 이온 배터리에 비해서 상당히 높다.
예로 리튬티타네이트배터리는 전기 자동차용으로 개발되던 배터리이며, 2019년에는 도시바 등 여러 업체에서 상용화시켰다. 전압 특성이 리튬이온배터리와는 달라서 시중에 있는 리튬이온배터리 충전기는 호환되지 않으며, 전용 충전 시스템과 BMS가 필요하다. 평상시 전압도 리튬이온이 3.7V이지만 리튬티타네이트는 2.3V이다. 방전후 전압도 리튬이온이 2.6V이지만 티타네이트는 1.5V이다.
참고로 공장에서 폐기된 혹은 비정상적인 경로로 유통되는 배터리 혹은 재생 배터리를 이용하여 만들어진 배터리팩이 혹시나 모를 폭발이나 화재를 일으키게 된다면 문제가 클 수 있으니 재생 배터리는 사용에 유의해야 한다.
세계에서 2차전지 기술은 일본이 최고 수준으로 군림하고 있었다. 신소재와 부품 분야에는 일본이 원천 기술과 지적 재산권을 상당수 보유해 전 세계시장을 지배하고 있는 실정이었다.
한국은 2000년대 초반까지만 하더라도 2차전지 기술이 빈약하였기 때문에 국내 전자회사들은 일본 업체에서 2차전지 완성품을 수입하여 제품에 이식시키는 정도였다. 2000년경부터 삼성SDI와 LG화학 등의 한국 업체들의 2차전지 제조 기술개발을 통한 자체 생산을 시작하였고 2000년초부터 2차전지 세계 시장 점유율 2위를 차지하기 시작했다.
2000년대 중반 이전에 생산된 오래된 국산 휴대폰이나 카세트 플레이어를 가진 이들은 한번 꺼내서 배터리에 적혀있는 제조 정보를 확인해보자. 열이면 열 모두 Made in Japan(일본산 완제품) 아니면 Cell Made in Japan, Finished in Korea(전지 자체만 일본에서 수입하고 보호회로 등을 붙여 완제품으로 만드는 것만 국내에서 한 경우)로 쓰여 있을 것이다.
전기자동차 배터리 수명은 어느 정도될까? 우선 전기자동차 배터리는 제조사마다 각기 다른 장기 보증을 제공받는다. 대표적으로 닛산 리프 24kwh 모델은 5년에 약 9만km를 보증하고, 30kw와 40kw 버전은 8년에 약 16만km를 보증받는다. 다른 제조업체들 역시 뚜렷한 고장 혹은 용량이 70% 이하로 크게 줄어드는 것에 대해 비슷한 배터리 보증을 제공한다.
전기자동차 배터리 수명은 기본적으로 배터리는 차 수명이 다 할 때까지 지속하도록 설계를 했고 배터리 교체 비용은 내연기관차에서 엔진을 교체하는 것과 비슷한 수준이나 소비자가 엔진을 교체할 이유는 없다. 르노는 배터리 용량과 연관 주행거리에 따라 월 단위로 약 7만4,000원부터 16만5,000원가량 배터리 임대료를 받는다고 하며 충전 시간도 40분부터 1시간이내이면 된다.
2010년 삼성SDI가 2차전지 세계시장 점유율 1위, 2011년 한국기업이 시장 점유율 40%를 차지하며 1위를 차지했고 2012년에도 한국 기업의 점유율은 43.4%이며, 일본 기업의 점유율은 30.9%다. 2012년 11월에는 2차전지 세계 점유율 4위인 소니가 2차전지 사업의 매각을 검토하고 있다. 점유율 1위가 삼성SDI, 2위가 파나소닉, 3위 LG화학 순으로 일본 기업들이 빠르게 쇠락하고 있다.
2020년에는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션 등 국내 대표적인 2차전지업체 싯가총액은 100조원을 돌파했다. 국내외적으로 친환경 정책에 대한 기대감이 높아지면서 2차전지의 장기적 성장성에 투자자들의 투자가 몰리고 있다.
2차전지 세계1위인 LG화학은 현대기아차를 비롯해 GM, 포드, 크라이슬러 등에 전기차 배터리를 공급하는데 지난해 말 기준 수주 잔고만 150조원에 달한다. 이는 2차전지 시장이 각국 정부의 친환경 정책 기조로 인해 전기차 시장이 성장할 것이라고 예측하는 투자자가 많아진 영향으로 보인다.
자동차용 2차전지 시장을 위해 각 기업들은 자동차 회사들과도 연합을 꾸리고 있다. 대표적으로 LG화학은 GM, 포드, 현대기아차의 수주를 얻고, 삼성SDI는 BMW와 크라이슬러, 보쉬는 GS유아사와 연합하는 중이다.
그러나 한국 기업이 무조건 낙관할수 없는 것은 중국의 위협 때문이다. 앞으로 주목받을 중‧대형 2차전지 분야는 중국과 우리나라의 기술 격차가 크지 않고 오히려 전기자동차 분야는 중국이 앞서 있다. 중국은 2차전지에 필요한 희유금속을 포함한 원자재가 풍부할 뿐만 아니라 저렴한 인건비와 거대한 시장을 보유하고 있어 대단한 잠재력이 있다. 우리나라가 2차전지의 원천 기술 확보를 위한 특단의 조치를 취하지 않는다면 현재 LCD 산업이 그러하듯 머지않아 중국이 따라 올 가능성이 크다.
참고문헌 지디넷 https://zdnet.co.kr/view/?no=20180711160739 현대자동차 https://www.hyundai.com/kr/ko/e/vehicles/type/eco 테슬라 https://www.tesla.com/ko_KR/models 포스코 https://newsroom.posco.com/kr
[필자소개]
虎岩 서 재 철
1958년생 한양대 공학학사·석사, 숭실대 컴퓨터학 박사, 정보통신기술사 한국정보문화진흥원 부장, 고려대학교 정보보호대학원 초빙교수 역임
현재 단국대겸임교수, 건국대겸임교수, IAESTE KOREA 이사, 인터넷정보학회 이사, 정보통신전문가협회(IPAK) 부회장기술원장, 아침 편지 문화재단 감사, 인터넷진흥협회 감사, 정보통신기술사협회 감사, 상사중재원 중재인&조정인, 안세기술 기술자문위원
저서 미래가 보인다 2030(박영사), 대한민국4차산업혁명 마스터플랜(광문각) 전략적 미래예측 방법론 바이블 (나남사) AutoCAD 실습과 응용, AutoLISP등(영진닷컴) |
