알고 보면 재미 있는 과학 – 이차전지 이야기

안녕하십니까 김효상입니다.

우선 첫인사부터 드리겠습니다. 이번에 사내 필진 3기로 참여하게 된 전지소재팀 김효상 선임연구원입니다. 학부 대학원 포함해서 12년 간 물리공부를 하다가, GS 칼텍스라는 회사 이름 하나만 믿고 생판 처음인 이차전지라는 새로운 분야에 뛰어 들었습니다.

회사에 입사해서 이차전지 분야에 종사한지 이제 한 20개월 정도 되니 옆에 있는 팀원들이 이야기하는 걸 조금은 이해할 수 있게 되었긴 하지만 아직은 갈길이 먼 초보 이차전지 연구원입니다. 앞으로 블로그를 통해서 이차전지 관련된 이야기와 일반적인 과학과 관련된 재미있는 이야기를 많이 나눌 수 있으면 좋겠습니다.

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이차전지가 뭐야?

회사에 입사하기 전 까지만 해도 저는 배터리는 장난감에 들어가는 AAA, AA 이런거랑, 시계 등에 들어가는 수은 전지랑, 방전되면 많이 곤란해지는 자동차 배터리밖에 몰랐습니다.

그래서 TV 나 언론에 이차전지 이야기가 나와도 별 관심 없었습니다. (이제는 이차전지 관련 뉴스만 나오면 귀가 솔깃해지지요).

그래서 제가 이차전지에 대해서 아무것도 몰랐던 사람 입장에서 가능한 쉽게 이차전지라는 것에 대해서 소개해 드릴까 합니다. 이차전지 좀 안다 하시는 분들은 이 글을 보시면 손발이 오그라들지도 모르겠네요.

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그럼 이차전지가 무엇인지부터 시작해 볼까요?

네이보에서 이차전지라는 말을 찾아보면 위 처럼 나옵니다. ‘전기에너지’나 ‘화학에너지’처럼 어려운 말이 나오는데요. 제가 아는대로 쉽게 풀어 설명하면 아래와 같겠습니다.

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이차전지의 원리

요즘 사용되고 있는 이차전지의 핵심이 되는 물질은 ‘리튬’이라는 물질입니다. 그래서 언론 같은 곳에 리튬이온전지(Li-ion battery) 라고 많이 나오지요.

리튬은 원자번호가 3번입니다. 원자번호는 지구상에 존재하는 물질을 원자의 무게 순으로 나열해 놓은 것인데 3번이라는 건 1번인 수소, 2번인 핼륨 다음으로 가볍고 작은 물질이라는 뜻입니다. 작고 가벼우니까 움직이기도 쉽고 구멍 같은걸 통과하기도 쉬워서 사용되고 있습니다.

이차전지의 원리를 간단하게 살펴보면, 이차전지가 충전되는 동안에는 양극에 있는 리튬이 음극으로 이동하게 됩니다.

이건 마치 공을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올리듯이 자연적으로 일어나는 일이 아니라서 콘센트에 꼽아줘야 충전이 됩니다. 그리고나서 코드를 뽑고 전지를 사용하면 음극에 있던 리튬이 다시 양극 쪽으로 이동하면서 휴대폰이나 노트북 같은 것들이 동작하게 됩니다.

이차전지를 이루는 가장 기본적인 구성 요소는 양극, 음극, 분리막 전해질 입니다. 앞에서도 이야기 했듯이 양극과 음극은 리튬원자를 보관하는 물질입니다.

양극은 리튬, 금속, 산소가 결합되어 있는 형태의 물질(리튬금속산화물)로 구성되어 있습니다.

충전중에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬만 쏙 빠져 나와서 음극으로 옮겨 갑니다. 음극은 여러가지 소재가 있지만 최근에 많이 사용되는 음극은 천연흑연을 기본으로 이루어져 있습니다. 연필에 사용되는 그 흑연 맞습니다.

흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 구조를 이루고 있습니다. 이를 층상구조라고 하는데 양극에서 빠져 나온 리튬원자 들이 이러한 층상 구조 사이로 끼어 들게 됩니다. 이차전지를 사용할때는 반대 현상이 벌어지게 됩니다.

흑연 사이에 끼어 있던 리튬이 다시 양극으로 이동해서 다시 리튬금속산화물을 이루게 됩니다. 분리막은 이름 그대로 양극과 음극을 분리시켜 주는 역할을 합니다. 집에 있는 콘센트에 쇠 젓가락 꼽아서 연결하면 빠직하고 감전되는 것처럼 이차전지의 양극과 음극도 서로 연결되면 전지가 고장나거나 아니면 폭발이 일어나거나 하니까 양극과 음극을 서로 분리시켜 놓을 필요가 있습니다.

그러면서도 그 사이로 리튬이 지나가야 되니까 분리막은 아주 작은 구멍이 숭숭 뚫려있는 구조를 가지고 있습니다.

전해질은 리튬이 이동할 수 있도록 도와주는 용액입니다.