안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 성운제입니다.

우리는 활동을 하기 위해 식사를 합니다. 마찬가지로 전자제품, 혹은 근래에 화두가 되는 전기자동차 또한 작동을 하기 위해서는 에너지 공급이 필요한데요. 전기가 필요한 장비들은 배터리를 충전함으로써 활동할 수 있는 원동력을 얻습니다.

전기를 공급받는 장비들은 더 빨리, 더 많이 전기를 공급받는 것이 중요합니다. 이에 따라 배터리가 더 작게, 더 가볍게 만들어 지는 기술이 개발되고 있는데요. 오늘은 그 기술 중 하나인 ‘Foam 소재 배터리’를 소개해 드리겠습니다.

배터리의 원리

배터리는 크게 양극, 음극, 분리막, 전해질로 이루어져 있습니다. 양극은 음극에서 내어주는 전자를 받아 환원되는 역할을 하고, 반대로 음극은 양극에게 전자를 전달함으로써 산화가 됩니다. 따라서 일반적으로 전지의 구성에서 양극에는 금속이 아닌 물질을 사용하고, 음극에는 산화가 쉽게 일어나는 금속을 사용하게 되는데요.

이러한 배터리의 핵심 4대 요소1를 이용해서 제작 가능한 배터리는 1차 배터리와 2차 배터리로 나뉩니다. 1차 배터리는 한 번의 방전 후에 재충전이 불가능한 배터리이고, 2차 배터리는 방전 후에도 자유로운 충전이 가능한 배터리를 말합니다.

① 1차 배터리

위의 그림은 대표적인 1차 배터리인 망가니즈(manganese) 전지로 양극으로는 탄소막대가 쓰이고 음극으로는 아연이 사용되었습니다. 1차 배터리는 앞서 언급된 것처럼 공장 출하 시 충전된 에너지를 모두 사용하면 재충전이 불가능한데요. 1차 배터리의 내부에 들어있는 재료들은 한 번 사용하면 변형이 되어 재충전을 해도 원래의 상태로 돌아가지 못하기 때문입니다.

② 2차 배터리

위의 구조도는 2차 배터리의 일종인 리튬 이온 배터리인데요. 1차 배터리와 다르게 2차 배터리는 완전히 방전된 후에도 재충전이 가능하여 지속적인 활용이 가능합니다. 2차 배터리는 양극에서는 탄소를 이용하고, 음극에서는 리튬금속산화물을 사용합니다.

2차 배터리에서는 방전할 때 리튬 이온이 이동하여 에너지를 운반하고 충전 시에는 리튬 이온이 분리막을 통과하여 에너지를 저장합니다. 이런 일련의 과정을 통해 2차 배터리는 1차 배터리와 다르게 방전 후 물질이 에너지를 다시 받아 원래 상태로 변환되어 재사용이 가능하도록 합니다.

배터리의 궁극적인 목표

전기를 이용하여 작동하는 기기들은 더 성능 좋은 배터리를 원하는데요. 배터리 개발의 궁극적인 목표는 크게 네 가지로 요약할 수 있습니다.

위의 네 가지 목표가 배터리를 개발하는 개발자들의 목표라고 할 수 있는데요. 현재 배터리의 발전상황이 이 목표 수준까지 올라왔다고 해도 과언이 아닙니다. 1차 배터리보다 더 많은 전력저장과 오랜 수명을 추구해 만들어진 배터리가 2차 배터리였는데요. 이제는 2차 배터리의 충전속도 향상과 적은 생산 비용 등과 같은 측면에서 지속적인 발달이 이루어지고 있습니다. 그 대표적인 예가 Foam 소재 배터리입니다.

Foam 소재 배터리

미 콜로라도 주립대학(Colorado State University) 에서 시작된 스타트업 기업인 ‘프리에토 배터리(Prieto Battery)’에서 개발된 Foam 배터리는 다공성 구리 구조인 구리 폼(Copper Foam)을 이용했습니다.

이 배터리는 구리 폼을 매트릭스 형태의 양극으로 둘러싼 구조로 제작하였는데요. 위의 2차 배터리처럼 리튬 이온이 움직이는 거리를 매우 짧게 만들어 더 높은 전력밀도를 가질 수 있게 되었습니다. 또한 Foam 소재의 특징인 넓은 표면적을 이용해 부피대비 약 60배의 표면적을 얻을 수 있어 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리를 제작할 수 있습니다.

‘프리에토 배터리’에서 개발한 배터리는 높은 에너지 밀도를 갖도록 개발되었는데요. 시판되는 주요 2차 배터리와 에너지 밀도를 비교하면 아래 표와 같습니다.

아직 상품화 되지는 않았지만 Foam 배터리는 기존 배터리에 비해 더 높은 에너지 밀도를 갖는 다는 것을 위 표를 통해 확인할 수 있는데요. 실제 배터리가 제작되었을 때 에너지 밀도는 이론과 차이가 있을 수 있지만 기존 제품보다 더 빨리 충전될 수 있습니다. 또한 더 가벼운 배터리의 개발은 전기적 에너지가 필요한 여러 분야의 발전을 도울 수 있을 것입니다.

전기 자동차의 대중화, 배터리 개발

대표적인 전기차 회사인 테슬라(TESLA)의 공동 창업자인 제프리 스트라우벨은 2015년 에너지코리아포럼 강연에서 “전기차의 대중화를 앞당기기 위해 가장 중요한 요소는 배터리 기술”이라고 말했습니다.

모든 전기차는 전기모터를 구동하기 위해 배터리를 탑재하고 있는데요. 요즘 시판되는 폭스바겐(Volkswagen) 전기차의 배터리는 24.2kWh의 용량에 무게가 약 318kg 이며, 테슬라S의 경우에는 60kWh의 용량에 무게가 약 500kg 입니다. 이는 공차 무게의 약 20%를 차지하게 되는데요. 차량의 무게가 올라가면 연비가 떨어지게 됩니다.

만약 이 배터리의 용량을 유지 또는 증가시키고 무게는 더 가볍게 할 수 있다면 차체의 무게도 줄이고, 이에 따라 연비도 높아져 전기차의 대중화에 큰 도움이 될 것입니다. 이는 전기차뿐만 아니라 전기를 사용하는 모든 기기들에 있어서도 마찬가지입니다. 따라서 Foam 배터리의 개발은 가볍고 전력밀도가 높은 배터리의 상용화로 이어지게 되는데요. 앞으로 가벼운 배터리를 필요로 하는 웨어러블 컴퓨터 등의 여러 분야의 발전을 가져올 수 있을 것입니다. Foam 배터리의 발전과 함께 여러 IT 기기의 동반 발전을 기대해 봅니다.