수능에서는 신기술과 관련한 지문이 종종 나옵니다. 2차전지와 관련한 지문은 그동안 나오지 않았지만, 기술적 중요성 등을 고려하면 출제 가능성이 있습니다. 기술 자체에 대한 과학 비문학 지문이나 국어 토론 지문, 영어 지문 등으로 출제될 가능성을 염두에 두고 공부하면 도움이 될 수 있습니다.
음극서 양극으로 전자 이동시켜
2차전지를 알아보기 위해 먼저 1차전지인 건전지를 떠올려봅시다. 건전지에 플러스(+)극과 마이너스(-)극이 있는 것은 다들 알고 있지요?
전지는 전자의 이동으로 나타나는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치입니다. 전자를 내보내고 싶어 하는 물질은 양극에 놓고 전자를 얻고 싶어 하는 물질은 음극에 놓아요. 그런데 두 물질을 보면 한 물질에 있는 전자의 높이와 다른 물질의 전자 높이가 달라요. 그러면 전자가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면서 위치 변화에 따라 전기에너지가 발생합니다. 높은 곳에서 물이 떨어지면서 에너지를 얻는 것과 비슷하다고 보면 됩니다.
양극의 전위(전자 높이)가 높고 음극의 전위가 낮을수록 전위차가 커지고, 곧 전압이 높아집니다. 전압이 높다는 것은 그만큼 많은 에너지를 갖고 있다는 뜻입니다. 그런데 건전지는 한번 쓰면 버려지잖아요? 음극으로 넘어간 전자를 다시 양극으로 돌릴 수 있는 방법이 구조적으로 없기 때문입니다.
그런데 2차전지는 다릅니다. 충전, 즉 재활용이 가능하죠. 음극으로 간 전자가 어떻게 다시 양극으로 되돌아가는 걸까요? 우선 어떤 소재를 사용하느냐에 따라 2차전지의 명칭이 달라지는데요, 가장 대표적인 리튬이온배터리를 예로 들어보겠습니다. 양극에 놓을 물질을 양극 활물질(양극재)이라고 하는데, 그 안에는 리튬이 들어 있어요. 리튬처럼 알칼리성 금속은 전자를 쉽게 내주죠. 이들을 음극으로 보내면서 전위차에 의해 전기에너지가 발생합니다. 반대로 음극에 있던 리튬이온은 외부의 전기에너지(충전)가 들어오면서 다시 양극 쪽으로 이동을 하게 됩니다. 전자가 왔다갔다 하면서 에너지를 만들 수 있는 것이 바로 2차전지입니다.
배터리 용량 좌우하는 양극재
2차전지의 4대 핵심소재는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막입니다. 이 가운데 가장 중요한 양극재는 리튬 등 물질을 담는 ‘집’입니다. 집이 클수록 리튬을 많이 담겠죠. 통상 보조배터리 등에 ‘mAh(밀리암페어시)’로 표시된 용량이 바로 이 집의 크기를 말하는 것입니다. 양극재에 있던 리튬이 전자를 잃고 리튬이온 상태로 음극으로 이동하면서 에너지를 내는데요, 음극재는 그걸 잘 저장하는 역할을 합니다. 전해액은 전자가 양극과 음극을 오갈 수 있도록 도와주는 교통수단 같은 겁니다. 액체 상태로 존재하죠. 분리막은 양극과 음극이 만나지 않도록 하면서도 전자는 잘 통과될 수 있게 하는 검문소 같은 역할을 합니다. 양극과 음극이 만나면 화학반응으로 폭발할 수 있어요. 종종 발생하는 배터리 폭발 사고는 대부분 분리막이 무너지면서 발생하죠. 이들의 역할을 다시 정리해볼까요. 양극재는 집이니 배터리의 용량과 에너지 밀도를 좌우하죠. 음극재는 충전과 밀접한 관련이 있어 충전 시간 등에 영향을 줘요. 전해액은 2차전지를 더 효율적으로 만들고요. 분리막은 안정성을 담당하죠.
에너지 기술개발 격전지
전기차 등에 사용되는 2차전지는 굉장한 기술 발전을 이뤘어요. 양극재가 더 많은 리튬을 포함할 수 있도록 하는 ‘하이니켈 배터리’가 개발되면서 배터리 용량이 비약적으로 늘어났죠. 덕분에 한번 충전에 수백 km를 달릴 수 있는 전기차가 속속 등장했습니다. 2차전지는 그 자체로 에너지 저장소입니다. 에너지 패권 경쟁을 벌이는 나라들에겐 중요한 전략 기술이죠. 배터리가 없으면 전기차 개발은 물론, 향후 배터리를 이용한 에너지 활용이 어렵기 때문이죠. 그래서 자국 또는 동맹국의 배터리 기술을 보호하려는 겁니다. 우리나라도 배터리 기술을 국가 차원에서 엄격히 보호하고 있습니다.
