배터리 기술 어디까지 왔나?
전동공구, 리튬이온배터리 없인 못살아
충전, 충전, 충전. 전동공구 시장은 충전식 공구가 열풍이다. 보쉬, 계양전기, 디월트, 스탠리, 마끼다, 밀워키 등 수많은 전동공구들이 충전용배터리로 리튬이차전지(리튬이온배터리)를 쓰고 있다. 배터리가 있어 휴대하기 간편하고 기존 강력한 공구의 힘은 유지된다. 과거에는 납배터리나 니켈카드뮴배터리가 많이 사용됐지만, 환경오염을 덜 발생시키고 효율이 뛰어난 리튬이온배터리가 1991년 처음 개발되면서 지금은 대세 중 대세가 됐다. 소니의 첫 상용화에 이어 리튬이온배터리를 쓰는 충전공구들도 늘어나고 있다. 리튬이온배터리는 니켈카드뮴배터리보다 10배의 에너지를 낼 수 있어 센 힘을 품고도 부피를 줄일 수 있으며, 잦은 충/방전에도 성능을 떨어뜨리지 않고 긴 수명을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
갈수록 커지는 배터리 시장
전세계 배터리 시장은 2015년 212억 달러 규모다. 2020년에는 630억 달러로 연평균 20% 이상 고성장이 전망된다. 전체 시장의 70%를 차지하는 IT용 배터리 성장은 다소 둔화되고 있지만, 전기차와 에너지저장시스템(ESS) 등 중대형 배터리로 사용되는 리튬이차전지 시장이 급격히 커질 것으로 예상된다. 따라서 전체 시장규모는 점차 확대되는 추세다.
전동공구 배터리 시장은 어떨까. 시장조사업체 TSR은 2013년 3억6,300만셀이던 전동공구용 리튬이온 배터리 수요는 2016년 7억1,800만셀까지 늘어날 것으로 예상했다. 현재 전동공구용 배터리 시장점유율은 삼성SDI가 27%로 가장 많으며, 매월 800만셀 정도를 공구업체에 공급하고 있다. 뒤이어 파나소닉이 25%, LG가 15% 등을 차지하고 있다. 삼성 SDI관계자는 “무선전동공구를 포함한 국내 인테리어 시장 규모가 28조4,000억원으로 크게 늘어날 것”이라며 “전동공구용 리튬이온 배터리 수요도 함께 늘어날 것”이라고 말했다.
배터리는 진화 중… 한계와 과제는?
1. 스마트폰 등 폭발 위험성
1991년 개발된 리튬이온배터리는 지난 20여 년간 그 성능이 꾸준히 향상돼왔다. 그러나 여전히 배터리의 한계는 지적되고 있다. 우선 폭발 가능성이다. 최근 삼성 갤럭시노트7의 리튬이온배터리 폭발사건으로 삼성 제품 전량 리콜에 이어 초유의 단종사태까지 벌어지기도 했다. 여유 공간 없이 배터리를 용량을 키우고 방수·방진 기능을 위해 기기 내부 열을 밖으로 적절히 빼내지 못한 점, 충전 속도를 줄이기 위한 급속충전방법이 그 이유로 거론되고 있다.
리튬이온배터리의 대체품으로 리튬이온폴리머배터리가 있다. 유기액체전해질 대신 젤(gel) 형태의 전해질을 사용해 안정성을 높였으며, 에너지 효율이 높고 다양한 형태로 제조 가능하다는 장점이 있다. 그러나 가격이 비싸고, 배터리가 부푸는 현상(스웰링)이 발생하는 등 이 또한 안정성을 보장하기는 힘들다. (*리튬이차전지는 리튬이온배터리와 리튬이온폴리머배터리를 포함하는 말이다.)
2. 전기차 배터리, 오래가는 게 관건
세계의 많은 전기자동차 제조사들 역시 리튬이온배터리를 저장방식으로 선택하고 있다. 전기자동차 상용화를 위해서는 배터리 성능이 중요하다. 원거리 운전을 위해서는 한 번 충전에 1,000km는 주행할 수 있어야 하지만 시일이 걸릴 예정이다. 최근 테슬라는 한 번 충전으로 400km를 주행하는 차를 출시해냈다. 이에 볼보자동차가 도전장을 내밀었다. 지난 11월, 볼보의 하칸 사무엘손 CEO는 2019년 500km를 주행할 수 있는 순수 전기차를 출시하겠다고 선언했다. 국내의 경우 현대자동차의 아이오닉이 최대 190km를 주행할 수 있다. 삼성 SDI와 LG화학은 300~400km를 갈 수 있는 시제품을 공개했고 늦어도 3~4년 뒤에는 600km까지 갈 수 있는 제품도 양산할 계획이다. 세계시장에서 전기차 대세는 이미 입증됐다. 이제 안전하게 오래갈 수 있는 배터리 기술이 관건이다.
아직까지는 리튬이온배터리를 대체할 물질은 없다. 앞으로 배터리가 해결해나가야 할 과제는 단연 성능과 안전성이다. 에너지 저장 능력을 강화시키고, 출력 에너지를 더 증가시켜야 한다. 이를 위해 전압을 높이거나 전류량을 증가시키고 전지 내부의 전자와 이온을 빨리 이동시킬 수 있는 기술이 필요하다. 또한 배터리 화학반응이 느려지는 겨울철 저온에도에서도 충분한 성능을 발휘할 수 있어야 한다. 전지 가격도 낮출 수 있도록 꾸준한 개발이 필요할 것이다. 공구업계에도 앞으로는 가벼워지고, 강력하며 오래가는 충전공구들이 더 많이 나오길 기대해본다.
배터리 어떻게 진화해왔나
- 기원전150년경 : 구리통에 식염수, 철막대기를 넣은 구리-철 배터리
- 1800년 : 볼타전지
- 1867년 : 이산화망간, 아연, 염화암모늄수용액을 사용한 르클랑셰전지
- 1887년 : 아연캔에 염화암모늄전해액, 석고분말, 이산화망간분말, 탄소분말을 넣은 최초의 실용건전지
- 1991년 : 건전지 수은 제거 성공, 리튬이차전지 상용화
일차전지, 이차전지가 뭘까?
일차전지는 한번 사용하면(방전) 다시는 사용할 수 없는 전지를 말한다. 반면, 이차전지는 방전 후에도 충전해 재사용이 가능한 전지다. 일차전지에는 망간전지, 수은전지, 아연공기전지, 리튬일차전지 등이 있으며, 이차전지에는 리튬이차전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 금속공기전지 등이 있다.
리튬이온배터리 작동원리가 궁금해!
배터리는 크게 양극, 음극과 두 극을 분리시키는 분리막, 내부를 채우는 전해질로 구성된다. 대개 리튬이차전지는 양극은 코발트, 망간, 인산철을, 음극은 흑연을 사용한다. 음극의 흑연이 양극으로 이동해 양극물질에 흡수되는데, 이 때 이동을 돕기 위해 전해질로 유기용매를 사용한다. 유기용매는 물보다 더 큰 3.7V의 전압을 낼 수 있다.
차세대 고성능 배터리 TOP3
1. 전고체리튬이차전지 : 액체전해질이 아닌 고체전해질을 사용한 전지로, 불이 나거나 폭발위험을 획기적으로 줄인 배터리다.
2. 나트륨이온전지 : 풍부한 자원에 가격이 저렴한 나트륨이온을 이용한 전지로, 원천기술과 제품기술이 함께 개발되고 있다.
3. 금속공기이차전지 : 양극으로 공기 중 산소를 사용해 가볍다. 리튬이온전지보다 5~10배 에너지 밀도가 높은 장점이 있다. 금속공기이차전지로 아연공기전지, 리튬공기이차전지가 개발 중이다.
정리_장여진·참고자료_한국전기연구원 배터리 가이드북, 정보통신기술진흥센터
주간기술동향 ‘배터리 시장, 중대형 배터리로 재부상’(2016.01) 등
