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[배터리] 전동공구 힘의 원천, 리튬이온 원통형 배터리
공구인들이 지금 현재 배터리에 대해 공부한다면 리튬이온 배터리를 알아야 한다. 리튬이온 배터리는 스마트폰을 비롯한 휴대기기, 전기자동차 등에 쓰이며 우리가 사용하는 전동공구에도 사용하는 등 현재 가장 쉽게 접할 수 있는 전지다. 형태와 재료에 따라 여러 모델이 있지만 전동공구 배터리에는 원통형 리튬이온 배터리를 주로 사용한다.
리튬이온 배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어낸다. 플러스와 마이너스, 양극에 위치한 리튬 이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되고 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가며 에너지를 방출한다. 이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 것은 전해질이다. 그리고 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막도 필요하다. 일반적으로 리튬이온 배터리의 4가지 구성 요소라고 하면 이러한 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 말한다.
양극재 - 리튬이온 배터리에서 리튬이 들어가는 공간이다. 리튬 이온이 사는 집으로 비유할 수 있다. 리튬이 양극 소재로 적합한 이유는 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강하기 때문이다.
음극재 - 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재한다. 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하며 전기를 발생시킨다. 리튬 이온이 양극재와 음극재를 오고가며 전기를 방출하고 충전하는 것이다. 음극재의 재료는 천연흑연, 인조흑연, 실리콘 등 다양하게 구성되어 있다.
전해질 - 전해질은 리튬 이온이 양극과 음극 사이에서 쉽게 이동하도록 돕는 매개체다. 리튬 이온의 이동 수단이라고 생각하자. 전해질은 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이면서 안전한 물질이어야 한다.
분리막 - 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단한다. 분리막에는 미세한 구멍이 있어 리튬 이온이 이동할 수 있다. 양극과 음극 간의 접촉은 막고 이온은 이동이 가능한 것이 분리막이다.
전동공구를 사용하거나 판매하는 공구인들에게 가장 익숙한 배터리는 원통형 배터리 18650 모델일 것이다. 18650모델의 이름은 배터리 사이즈를 나타낸다. 지름 18mm, 높이 65mm의 의미를 가지고 있다. 원통형 배터리 18650은 1990년대 초반 상용화되었고 2000년대로 넘어오면서 전성기가 시작 되었다. 2000년대에 들어서 노트북과 핸드폰 시장이 커지면서 소형 배터리 시장이 매년 크게 성장을 거듭해서다. 다양한 모델이 존재하는 소형배터리 중 18650은 크기도 작고 무게도 가벼운 데다 높은 에너지 밀도와 안전성으로 큰 인기를 누렸다. 더구나 가격 경쟁력과 대량 생산성이 뛰어나다. 이런 장점을 토대로 2012년 일본 파나소닉은 테슬라 전기차에 18650배터리 수천 개를 병렬로 연결해 납품하기도 했다. 전기차, 전기 자전거, 전기 바이크, 골프장 전동차 등의 배터리 팩에 널리 활용되면서 전동공구 배터리도 18650 모델을 사용되기 시작한다. 전동공구 배터리 시장에서 니켈 수소 배터리, 니켈카드뮴 배터리가 사라지게 된 것은 리튬이온 배터리 18650 모델 덕분이다.
최근 출시되는 전동공구 배터리의 내부를 살펴보면 상당수가 21700 원통형 배터리로 구성되어 있다. 원통형 배터리 21700은 높이 70mm, 지름 21mm의 형태를 가진 배터리다. 이 배터리는 전기차에 사용할 목적으로 개발된 배터리다. 기존 18650배터리는 전기차 1대를 구동하기 위해 장착해야 하는 배터리가 7,000여 개인데 비해 21700은 3,000여 개에 불과하다. 이 배터리 덕분에 전기차의 무게는 더 가벼워지고 생산 비용도 낮아졌다. 21700은 18650보다 용량이 크고 에너지 밀도도 높다. 더군다나 21700 배터리는 기존의 18650의 생산라인을 그대로 사용한다. 별도의 시설투자 없이 제작할 수 있기에 18650 배터리를 시장에서 빠르게 대체하고 있다. 참고로 테슬라 전기차 모델 S와 X에는 18650 배터리가 장착되었고 모델 3과 Y에는 21700배터리가 사용되었다. 21700배터리가 대량 생산 되고 가격도 저렴해지면서 전동공구와 같은 소형 전자기기 배터리팩에도 사용되기 시작했다. 그 결과 2024년 현재 출시되는 전동공구 배터리 상당수에는 21700배터리가 탑재되고 있다.
앞으로 차세대 배터리로 주목받는 배터리는 전고체 배터리다. ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 양산을 국내외 업체들이 치열하게 경쟁하고 있다. 전고체 배터리는 전해질이 고체이기 때문에 충격에 의한 누액 위험이 없고 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮다. 리튬이온 배터리에 비해 상대적으로 안전한 것. 또 액체 전해질보다 에너지 밀도가 높으며 충전 시간도 리튬이온 배터리보다 짧다. 대용량 구현이 가능 할 경우 전기차의 최대 주행거리를 800~1000km 정도로 현재 전기차 주행거리 500~600Km에서 두 배 정도 늘릴 수 있다. 현재 전고체 배터리를 생산하는 곳은 소수이고 생산량도 적으며 프리미엄 제품으로 평가된다. 그러나 21700배터리가 18650배터리를 대체한 것처럼 전고체 배터리가 21700배터리를 대체 할 날이 올 것이다. 훗날 대량생산 되어 가격경쟁력과 배터리수급 문제가 해결되면 전동공구 배터리팩에도 전고체 배터리가 사용될 것을 예상한다.
글 _ 홍기관 크레텍 산업공구기술연구소 이사 / 정리 _ 한상훈
