2차 전지의 개념
2차 전지는 반복적으로 충전하고 방전할 수 있는 전지로, 재충전이 가능하다는 점에서 1차 전지(일회용 전지)와 구별됩니다. 2차 전지는 우리 일상생활에서 널리 사용되고 있으며, 휴대전화, 노트북, 전기차 등 다양한 기기에서 에너지를 공급하기 위해 사용합니다.
전 세계가 신규 산업과 친환경을 주제로 빠르게 변화하면서 ‘이차전지’는 가장 급성장하고 있는 시장 중 하나로 꼽히고 있습니다. 이차전지의 출력과 용량, 수명과 안전성을 개선하기 위해 많은 기업에서 연구 개발을 진행하고 있으며, 이러한 사업을 진행하는 국내 회사로는 LG에너지솔루션과 SK온, 삼성SDI 등이 있습니다.
주식 시장에서도 이러한 경향을 반영하여 ‘이차전지주’들 역시 각광받고 있습니다. 여기에 더해 양극·음극재·분리막·전해액 등 이차전지의 소재 관련 사업도 함께 관심을 받고 있습니다.
이차전지가 친환경 정책에 힘입어 많은 관심을 받을 수 있었던 이유는 무엇일까요? 우리가 이차전지를 이용하는 것은 충전을 통해 언제든 다시 사용이 가능하니 훨씬 환경적이라는 이점도 있겠지만, 일차전지를 이용할 경우 방전 후 버려지는 폐기물로 인해 환경오염을 일으킬 우려가 크기 때문입니다.
현재의 2차 전지 기술
리튬이온 전지
현재 이차전지 지분의 대부분을 차지하는 것은 리튬이온배터리입니다. 리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 긴 수명 주기가 특징이며, 높은 출력까지 낼 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 먼 과거 이차전지의 초창기에 사용됐던 카드뮴과 납, 수은 등의 중금속이 포함되지 않는다는 점이 각광받는 이유 중 하나라고 할 수 있습니다.
리튬이온배터리는 양극과 음극 물질의 ‘산화 환원 반응’을 통해 전류를 생산합니다. 양극과 음극 사이에는 둘을 물리적으로 만나지 못하도록 막는 ‘분리막’이 있으며, 리튬 이온이 충전과 방전을 위해 이동하도록 기능하는 ‘전해액’도 존재합니다.
Q. 2차 전지는 무한하게 사용할 수 있는가?
석유를 사용하는 내연기관차는 연비 저하 등 문제가 발생할 수는 있으나 한번 구매한 자동차를 10년 이상 이용하는 경우가 많습니다. 전기자동차의 배터리 충전이라는 과정을 반복하여 내연기관차처럼 장기간의 사용이 가능하냐는 질문이 앞의 질문과 일맥상통한다고 볼 수 있습니다.
전기자동차의 수명은 딱 잘라 말하기는 애매하지만 배터리의 효율 자체가 떨어지면 배터리팩을 교체해야 합니다. 보통 80% 이상 효율이 떨어지면 교체를 하는 것이 일반적입니다. 리튬이온배터리는 충전과 방전 사이클을 반복하면서 작동합니다. 이러한 과정에서 전기화학적 반응으로 전극의 구조가 변화하면서 이온의 이동이 쉽게 일어나지 못하는 현상이 발생하게 됩니다. 이로 인해 배터리 내부 저항이 증가하며 효율이 감소하게 되는 것입니다.
스마트폰도 1~2년을 사용하면 배터리의 효율이 조금씩 떨어지기 때문에 배터리를 새로 교체하거나 아예 스마트폰의 기종을 바꾸기도 하는 것처럼, 전기차 또한 이와 동일합니다.
결국 2차 전지의 수명이 있다는 것은 배터리 폐기물이 발생한다는 의미입니다. 하지만 이에 대응하여 폐배터리 재활용 시장 또한 크게 성장하고 있습니다. 배터리 재활용 사업은 배터리를 녹이거나 분쇄해 리튬과 니켈, 코발트 등 고가의 원재료를 추출해 신규 배터리 제조에 활용하거나 다른 산업용으로 판매하는 사업입니다.
수소 연료전지
수소는 공기와 혼합하여 작은 불씨만 가져가도 폭발적인 연소반응을 보일 정도로 대표적인 가연성 물질입니다. 연소 시에는 소량의 물과 극소량의 질소산화물(NOx)을 제외하고는 오염물질이 전혀 배출되지 않습니다. 특히 지구온난화의 주범인 이산화탄소가 발생되지 않기 때문에 친환경 에너지 저장 수단으로 주목받고 있습니다.
이러한 수소의 장점을 활용하여 연료전지의 연료로 이용하면 전기 에너지를 얻을 수 있습니다. 물을 전기분해하면 수소와 산소로 분해되는데, 수소 연료전지는 이 반응의 역반응을 이용한 장치입니다.
수소에너지는 1차 에너지인 석탄, 석유, 가스와 달리 전기처럼 가공해야 하는 2차 에너지입니다. 수소를 추출하는 방법으로는 크게 세 가지가 있습니다.
현재 수소는 주로 화석연료의 수증기 개질을 통해 생산되기 때문에 수소를 생산하는 과정에서 필연적으로 이산화탄소가 발생합니다. 탄소 감축을 위해 재생에너지를 이용하여 물을 분해해서 수소를 생산하는 방식도 많은 연구가 진행되고 있습니다. 하지만 물을 전기분해해서 수소와 산소를 분리하는데 에너지가 많이 들고, 수소를 압축하는 과정에서도 에너지가 많이 든다는 단점이 있습니다.
리튬이온배터리 VS 수소 연료전지
에너지 저장 효율은 리튬이온배터리가 더 큽니다. 수소를 연료로 사용하기 위해 가공하고 저장하는 과정에서 에너지 손실률이 높기 때문입니다. 발전된 에너지가 100이라고 할 때, 리튬이온배터리에 넣으면 85~98까지도 사용할 수 있지만 수소로 저장했다가 전기로 만들면 원래 에너지의 25~45까지만 쓸 수 있습니다.
하지만 수소의 장점도 있습니다. 수소는 아주 밀도가 낮습니다. 현재 수소 저장기술 중 가장 많이 쓰이는 방식은 고압으로 수소 기체를 압축해서 밀폐된 탱크에 저장하는 방식입니다. 가벼운 수소를 초고압으로 압축하기 때문에 같은 무게의 리튬이온배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 리튬이온배터리의 에너지 밀도가 200~400이라면 수소 연료전지의 경우 약 200기압에서 600만큼의 에너지 밀도를 가집니다.
2021년 기준 수소 연료전지는 kWh 당 $33 수준으로 비용이 높은 편이지만 미국 에너지부에서는 kWh 당 $8 정도로 개선하는 것을 목표로 하고 있습니다.
2차 전지 산업의 미래 전망
2차 전지 산업은 전기차 시장의 급격한 성장과 함께 크게 성장했습니다. 전기차 분야뿐만 아니라 대규모 에너지 저장 시스템과 같이 공급이 불안정한 신재생 에너지의 단점을 보완하기 위한 기술로도 주목을 받는 영역입니다. 2차 전지 산업은 각국의 탄소 절감 정책과 친환경 정책에 따라 지속적으로 연구 개발과 성장이 이루어질 것으로 기대됩니다.