#만약 세상에 전기가 없다면?
우리 생활에서 없어서는 안 되는 것을 하나 꼽으라고 하면 그것은 바로 전기라고 생각됩니다.
우리 생활에 꼭 필요한 전기가 사라진다면 무슨 일이 일어날까요?
전기가 없다면 아침마다 맛있는 밥을 지어 주는 전기 밥솥은 더 이상 작동 하지 않을 것이고, 출퇴근에 이용하는 대중교통인 지하철과 버스는 당장 멈출거구요, 그 외 전기를 사용하는 모든 기기들은 사용할 수 없게 되어 재난영화에서 본 것처럼 엄청난 혼란에 빠지게 될 지도 모르겠습니다.
작년 9월에 우리나라에서도 이와 비슷한 상황이 일어났었지요. 지역마다 몇 분씩 정전이 발생되어서 전국적으로 사람들의 혼란뿐만 아니라 경제적으로도 많은 피해가 속출했는데요, 반면에 몇몇 곳에서는 피해가 적었다고 합니다. 상대적으로 적은 피해만 입었을까요? 그것은 정전을 대비해 충전되어 있었던 배터리들이 전기를 계속 사용할 수 있게 해준 덕분이라고 합니다.
오늘은 이렇게 우리 생활에서 중요한 일을 하고 있는 배터리에 대해 알아볼까 합니다.
#배터리 너는 어떻게 작동하니?
우리 주변에는 정말 많은 종류의 배터리들이 있습니다. 홀쭉하기도 하고, 납작하기도 하고, 뚱뚱한 것에 크고 무거운 것까지 있습니다. 그래도 이러한 배터리들이 전기를 저장하는 기본적인 원리는 유사합니다.
금속들은 서로 다른 성질들을 갖고 있습니다. 색도 다르고 번쩍이는 정도나 단단한 정도도 다르지만, 무엇보다 금속들이 갖고 있는 전자를 다른 물질에게 전달하는 정도가 다릅니다.
주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 금속인 철과 금의 경우, 철이 금에 비해 전자를 훨씬 잘 전달하려고 하는 성질을 가지고 있습니다. 철이 공기중의 산소나 수분을 만나 전자를 빼앗길 때 ‘녹’이라고 하는 물질이 생기게 됩니다.
금의 경우 철에 비해 전자를 전달하려는 성질이 적은데요, 이 때문에 녹이 잘 슬지 않고 반짝반짝 빛이 나 우리가 많이 쓰는 반지나 귀걸이등의 귀금속을 만들 수 있는 거지요.
이렇게 전자를 전달하는 성질이 각각 다른 것을 금속들의 ‘반응성’ 이라고 말합니다.
이 금속의 반응성을 이용한 것이 배터리인데요, 보통 음극이라고 부르는 곳에는 전자를 잘 내놓는 금속이 있고 반대쪽은 이렇게 나온 전자를 받는 양극을 만들어 둡니다. 그리고 외부로 연결된 전선을 따라 전자들이 흐르게 되면 이것을 ‘전기가 흐르고 있다’고 표현하는 거지요.
#1차 배터리? 2차 배터리?
가끔 배터리에 대한 글을 읽다 보면 배터리라는 단어 앞에 1차나 2차라는 말이 붙는데요, 배터리가 방정식도 아니고 이 단어는 왜 붙는 것일까요?
배터리에서 전기가 흐르는 것은 폭포에 비유할 수 있습니다. 높은 곳에서 물이 아래로 흐르는 것은 정말 당연한 일이지만, 떨어진 물을 거꾸로 올리는 것은 직접 사람이 올리거나 아니면 펌프를 이용해서 퍼 올려야 하는 수고가 필요해요. 배터리도 전기를 흘려 보내는 방전은 자연스러운 현상이지만 충전을 하기 위해서는 다른 수고가 필요하지요.
2차 배터리는 이러한 충전이 가능한 배터리를 말하는 것입니다. 폭포의 물을 거꾸로 올려주는 역할을 하는 것은 이 경우에 ‘충전기’라고 할 수 있습니다. 충전기를 이용해서 전자들을 다시 채워놓는 것이지요. 그래서 한번 사용하고도 다시 충전하면 원래의 상태로 돌아갈 수 있습니다. 그것을 위해 2차 배터리에는 전자들을 다시 받을 수 있는 성향의 금속들을 사용합니다.
반면에 1차 배터리에 쓰이는 금속들은 한 번 전자들을 내놓으면 다시 받고 싶어하지 않아요. 그래서 한번 사용하면 다시 충전이 어렵습니다. 그래서 1차 배터리를 많이 사용하면 쓰레기가 많아지고 재충전 할 수 있는 2차 배터리가 환경에 유익하다고 하는 것이지요.
#우리 주변의 배터리 이름찾기!
가장 먼저 찾을 수 있는 배터리는 리모컨이나 작은 손전등에 들어가 있는 AA나 AAA사이즈의 알카라인 배터리들입니다. 이 작은 배터리는 내부에 알카리성 물질이 들어 있어서 이름에 알카라인이라는 호칭을 달게 되었지요. 기존의 건전지에 비해 전압이 쉽게 떨어지지 않고 수명이 길다는 장점을 가지고 있어서 대중적으로 많이 사용되고 있지요.
알카라인 전지는 1차 배터리입니다. 만약 강제로 충전한다면 아주 위험해요. 금속들이 전자를 다시 받아도 거부하기 때문에 전자를 다시 내놓으면서 열을 내게 되고 이로 인해서 폭발이 일어 날 수도 있기 때문이지요.
그 다음으로 1차 배터리로 많이 볼 수 있는 것이 작은 알약 같이 생긴 수은 전지입니다. 수은 전지는 내부에 수은과 아연이 혼합되어 있는 금속이 전자를 내놓는 형태로 만들어진 전지 인데요, 아주 작게 만들 수 있어서 유용하게 쓸 수 있지만, 환경뿐만 아니라 사람에게 해로운 수은 들어있어서 요즘에는 규제를 받고 있지요.
핸드폰, 테블릿PC, MP3, 노트북등과 같은 모바일 기기에도 전지가 들어있는데요, 대부분 충전이 가능한 2차 배터리입니다. 최근에는 니켈류의 배터리보다 리튬을 이용한 배터리가 이 분야에서 각광을 받고 있는데요, 그것은 수명이 더 길기 때문이지요.
그런데 뉴스에서 보면 간혹 핸드폰이 갑자기 폭발했다는 소식을 들을 수 있는데요, 이것은 보통 리튬 이온 전지가 폭발한 경우로 보고 있지요. 리튬 이온 전지 내부에 사용되는 전해질은 공기와 만나면 아주 빠른 속도로 반응하는 물질인데요, 만약에 배터리가 충격으로 전해질이 외부로 노출되면 아주 위험하지요. 따라서 배터리에 써있는 경고처럼 임의로 분해하거나 충격을 가하면 안됩니다.
거리를 달리는 자동차에도 배터리가 있는데요, 자동차의 보닛(bonnet)을 열어보면 납축배터리가 많이 사용되고 있습니다. 납축배터리는 내부에 납을 사용해서 전기를 생산하는 방식으로 안정성으로는 리튬 이온 전지보다 높지만, 너무 무겁다는 단점이 있어서 소형 기기류에는 사용하지 못하고 있습니다. 대신 기존의 자동차나 대용량으로 전기를 저장해야 하는 건물이나 시설에 경우 이러한 납축전지를 사용하고 있습니다.
이외에도 전지는 TV나 전기밥솥, 냉장고 등과 같은 가전기기 속에는 안정적인 전력을 공급하기 위해 사용하기도 하고, 병원이나 통신망에 사용되는 전지들은 대규모 정전과 같은 상황에서도 최소 몇 분에서 몇 시간까지 전기를 공급하는데 사용되는 경우도 있습니다.
#미래의 배터리
가장 많이 사용되는 배터리인 리튬 이온 배터리의 경우 가장 주목되는 문제점은 안전성입니다
그래서 이를 해결하기 위해서 차세대 배터리가 연구 중에 있는데요, 그것이 리튬 폴리머 배터리입니다.
전해질을 기존에 사용한 액체와 달리 폴리머라고 하는 아주 큰 분자로 만들어서 전해질로 사용하는 방식인데요, 액체처럼 흐르는 성질이 없고 잘 휘어지는 성질을 가지고 있어서 안정성을 높일 수 있다고 보고 있습니다. 아직은 용량이 작고 수명이 짧다는 단점이 있어서 많은 연구가 필요한 분야입니다.
그리고 기존의 배터리는 용량이 부족하다는 단점이 있습니다. 최근 많이 사용되는 스마트폰에서도 이러한 현상이 일어나고 있는데요, 기존보다 더 큰 용량을 갖는 배터리가 연구 되고 있습니다. 그 중 가장 주목을 받는 것이 금속공기전지입니다.
음극은 금속으로 양극은 공기(산소)를 이용해서 만드는 전지로 현 수준 대비 10배 이상의 성능 향상이 가능하고 공기를 이용하기 때문에 경량화 할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.
마지막으로는 기존의 배터리 가격을 낮추기 위해 더 싼 금속으로 이용해 가격을 낮추는 방안을 고안하고 있습니다. 나트륨과 마그네슘은 리튬에 비해 쉽게 구할 수 있어서 이러한 금속을 이용한 배터리가 하나의 대안으로 떠오르고 있습니다.
나트륨을 이용한 전지는 수명이 길고, 전기를 저장 용량도 크고 마그네슘을 이용한 전지는 이론적으로 리튬에 비해 두 개의 전자를 내놓을 수 있어서 리튬 전지의 2배 이상의 용량을 가질 수 있어서 연구가 진행 중에 있습니다.
지금까지 배터리에 대해서 차근차근 알아보았습니다! 우리 삶 곳곳에서 조용히 각종 기기들을 움직이게 해주는 배터리들, 정말 세상을 움직이는 원동력이라고 할 수 있지 않을까요?
참고문헌:
Quantitative chemical analysis seven edition, W.H. Freeman and Company, Daniel C. Harris
녹색 시대의 총아, 2차전지 차세대 전지 개발 경쟁 치열해지고 있다, LGERI리포트, 신장환