기후변화NGO 웨더랩

노트북이나 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기, 전기차, 로봇 등 과학과 산업기술이 발전하면서 2차전지의 중요성이 나날이 높아지고 있으며 세계적 기업들이 2차전지를 새로운 성장동력으로 눈여겨보고 있는 이유도 이 때문인데요. 과연 2차전지란 무엇일까요? 2차 전지가 있다면 1차 전지 3차 전지도 있을까요?

1차 전지란 무엇인가

2차 전지라는 말을 자주 쓰지만 왜 2차라고 쓰는지 잘 모르는 경우가 있는데요. 2차가 있으므로 1차도 있습니다. 1차 전지는 우리가 이미 사용하고 있던 건전지 즉 한번 쓰고나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 합니다.

재충전이 불가능한 1차 전지는 망간(망가니즈)전지, 알칼라인전지가 대표적입니다.

조금 더 자세히 알아보면 망간전지란 금속의 원소중 하나인 망가니즈(Mn-원자번호 25번)의 양극반응으로 배터리를 만들며 알칼라인보다 가격이 저렴해서 많이 쓰이는데요. 망가니즈 건전지는 휴지기가 길기 때문에 사용 중 꾸준히 전압이 떨어지지만, 휴지기에 전압이 회복되는 특성이 있어, 연속동작이 필요 없는 리모콘이나 작은 시계, 한 번씩 사용하는 소형 손전등에 적합합니다. 알칼라인은 이보다 가격이 비싸지만 좀 더 강력한 전기를 낼 수 있어서 많이 쓰이고 있습니다.

2차 전지란 무엇인가

2차 전지는 쉽게 '충전지'라고 생각하면 되는데요. 2차 전지는 1차 전지와 다르게 충전이 가능하며 충전을 하고 난 후에는 다시 사용을 할 수 있습니다. 2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말하는데요. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성됩니다.

양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생하며 충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차전지로 꼽히며 이외의 2차 전지로는 과거에 쓰였던 리튬폴리머, 니켈카드뮴, 니켈수소 전지등이 있습니다.

2차 전지의 대표 리튬이온 배터리

과거에 니켈카드뮴 배터리가 노트북과 스마트폰에 사용되었을 때는 메모리 효과라는 것이 있어서 배터리를 완전히 방전시키고 다시 충전하는 것이 배터리 수명을 늘리는 것이라는 말이 유행할 때도 있었습니다만 현재는 대부분의 휴대폰에서 리튬이온 배터리를 사용하고 있습니다.(아이폰, 갤럭시 모두 리튬이온 배터리 사용)

위에서 알아본 1차전지의 경우, 한 번만 사용하고 버리게 되는데 이때 새 배터리를 만들기 위해 더 많은 자원이 소비되었습니다. 게다가 방전 후에는 화학물질로 인해 환경오염을 일으킬 수 있다는 단점도 존재했습니다. 반면 2차 전지는 충전을 통해 500~2000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적인데요. 대표적인 2차전지로 꼽히는 리튬이온 배터리 역시 수명이 길다는 장점이 있습니다. 또 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하며 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않습니다. 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없고, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점도 있습니다.

2차 전지의 핵심 리튬

리튬은 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속하며, 원자 번호는 3입니다. 기억나시나요? '수헬리베..' 네 3번입니다. 이 원소기호는 가벼운 순으로 나열되었는데요. 다시 말해 지구상에 존재하는 물질 중 세 번째로 가벼운 물질이라는 뜻입니다. 최근 리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 ‘하얀 석유’라고도 불리게 된 것은 2차전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문인데요. 휴대전화, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이어 전기 자동차, 로봇 산업에 필요한 2차 전지를 만들기 위해 리튬은 필수적인 소재로 주목받고 있습니다. 리튬을 활용한 2차 전지는 보통 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 내며 일반 전지의 전압은 약 1.3~2 볼트가량인데 반해서 리튬이 포함된 전지의 전압은 3볼트 이상입니다. 

참고로 테슬라의 전기차 배터리는 일본의 파나소닉과 한국의 LG엔솔(에너지솔루션)에서 공급받고 있습니다.

그렇다면 3차전지도 있을까요?

3차 전지란

3차 전지는 한번 충전해서 쓰고 또 충전하는 2차전지와 달리 지속적으로 연료를 공급 받으면서 충전을 하는 전지를 말하는데요. 수소를 연료로 사용하는 수소연료전지가 바로 3차전지입니다. 

2차 전지와의 차이점은 연료전지와 배터리(2차전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치입니다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용이 가능합니다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르며 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 고민해야 하는 1,2차 배터리와는 달리, 연료전지는 분자 크기가 작아 용기 표면으로 누출되는 양을 무시할 수 없는 수소를 제외하면 자연방전 문제에 있어서 자유롭습니다. 게다가 연료전지는 기후조건이나 기상상황의 영향도 1,2차 배터리에 비해서는 상대적으로 덜 받는 편입니다.

이상으로 1차전지와 2차전지 그리고 3차전지에 대해서 알아보았습니다.