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[ESS기술과 축전설비 2]
2차전지의 종류와 특징에 대해
이차전지는 그 세계시장의 규모가 날로 커져가고 있는 가운데 전기자동차 시장의 성장과 더불어 중대형 에너지 저장용 2차 전지 시장의 개막으로 향후 그 규모가 더욱 확대될 것으로 전망되고 있는 분야이다. 한 번 쓰고 버리는 1차전지가 재사용이 불가능하고 전지의 수거 및 재활용 등에 많은 비용이 드는 반면, 2차전지는 여러 번을 반복 충전할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 노트북 및 휴대전화, 캠코더 등 휴대 전자기기뿐만 아니라, 전기자동차의 핵심소재로서 그 부가가치가 높아 반도체 및 디스플레이와 함께 21세기 3대 전자부품으로 꼽힌다. 본고에서는 2차전지의 종류별 특징과 동향에 대해 간략하게 살펴본다.
번역·정리 김대근 기자
전지의 역사
전지에는 충전 가능한 것과 불가능한 것이 있다. 충전 가능한 전지를 보통 ‘축전지’ 또는 ‘충전지’로 부르는 것이 일반적이지만, 전지의 세계에서는 충전 가능한 전지를 ‘2차전지’, 충전 불가능한 전지를‘ 1차전지’로 부르고 있다. 우선 전지는 습전지에서 건전지로 진보해 왔다. 그러나 습전지도 건전지도 한번 방전되어버리면 사용할 수 없게 된다. 전지는 개발 과정에서 여러 번 충전하여 사용할 수 있는 편리한 이차전지에 대한 수요가 늘어나면서 1859년 프랑스의 가스통에 의해 납축전지가 개발되었다. 최근에 이르러 디지털 카메라 및 노트북, 휴대전화 등 큰 전력이 필요한 휴대 전자기기가 급속도로 보급되면서 이차전지에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 또한 하이브리드카와 전기자동차 등 자동차용 및 전력평준화를 위한 대규모 전력 저장용 이차전지의 개발 등 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다. 이차전지의 종류 이차전지는 납축전지, 알칼리 축전지, 리튬 이차전지 외에 전력저장용 대형 축전지의 4종류의 그룹으로 분류된다. 알칼리 축전지에는 니카드 전지 및 니켈계 수소전지 등이 있다. 리튬 이차전지에는 리튬 이온 전지, 금속 리튬 전지, 리튬 이온폴리머 전지 등이 있다. 대형 축전지에는 레독스 플로우 전지 및 나트륨 유황 전지 등이 있다.
납축전지 납축전지([그림 1] 참조)라고 하면, 먼저 자동차용 배터리 를 떠올리는 사람들이 많을 거라 생각된다. 이전부터 사용되어 왔던 고전적인 이차전지이지만, 제일선에서 활약하고 있다. 엔진 시동용의 모터를 비롯해 각종 램프의 점등, 계기의 표시, 파워윈도우, 에어콘, 엔진 제어의 컴퓨터 등은 납축전지를 동력원으로 하고 있다. 주요 재료인 납이 가격도 저렴하고 전압도 각 셀당 2V나 되기 때문에 많은 용도로 사용되고 있다. 자동차용 배터리는 정기적으로 증류수를 보충하는 데 시간이 소요되고, 잠시 동안 사용하지 않으면 자기 방전에 의해 전기용량이 감소돼 엔진이 걸리지 않는 경우가 있었다. 그러나 이후의 기술진보에 의해 증류수를 보충하지 않아도 되는 간격이 길어지고, 또 자기방전도 적어지고 있다.
실(Seal) 납축전지납축전지는 전해액에 액체의 황산을 사용하기 때문에 옆으로 눕힐 수 없는 등의 문제가 있었다. 그리하여 부직포에 황산을 넣어서 유지하는 실 납축전지가 개발되었다. 1973년에 미국에서 개발된 실 납축전지는 밀폐화와 소형화에 의해 니카드 전지 등과 마찬가지로 손쉽게 다룰 수 있게 되었다. 실 납축전지는 진동에 강하고 제어벨브가 있어서 유지보수의 번거로움도 적기 때문에 장기간 신뢰성이 요구되는 전자기기에 사용되고 있다. 구체적으로는 공공시설 및 회사, 호텔, 병원 등에서 비상시 및 재해시의 백업 전원에 대형 실 납축전지가 사용되고 있다. 빌딩 내의 조명과 엘리베이터, 병원의 의료기기 등은 멈추면 인명에 관한 심각한 문제가 발생되기 때문에 정전이 되어도 축전지에 의해 일정 시간 필요한 전기를 공급 가능한 체제가 정비되어 있다. 또, 은행의 예금 및 저금, ATM을 관리하는 컴퓨터, 열차의 예약 시스템을 관리하는 컴퓨터 등 무정전 전원장치도 실 납축전지에 의해 백업되고 있다.
니카드 전지
니카드 전지([그림 2] 참조)의 구조는 플러스극에 옥시 수 산화 니켈, 마이너스 극에 카드뮴 화합물이 사용되고 있으며, ‘니카드 전지’라고 하는 이름은 이 2개의 이름을 축약한 것이다. 1899년 스웨덴의 융너(Jungner)에 의해 개발되었으며, 니켈 수소 전지 및 리튬 이온 전지가 등장하기전에는 고성능 2차전지의 대표 전지였으나 지금은 업무용 등의 일부 용도로만 사용되고 있다. 과충전 및 과방전에 강하고 대전류에서의 방전 및 급속 충전에도 대응 가능하며, 방전 전압의 적은 변화 등 이러한 특징을 살린 분야에서는 여전히 사용되고 있다. 무선 조종 자동차 및 청소기, 전동공구 등 모터를 구동하는 용도에 적합하다.
니켈 수소 전지
니켈 수소 전지([그림 3] 참조)는 마이너스 극에 충전으로 발생하는 수소를 대량으로 저장 가능한 수소 흡장 합금이 사용되고 있으며, 표준적인 니카드 전지의 2배가 되는 전기용량을 가진다. 또한 안정된 방전 특성뿐만 아니라 전압이 니카드 전지와 동일하므로 카드뮴을 포함한 니카드 전지를 대신해 대출력을 필요로 하는 용도에 널리 사용되고 있다. 초기의 제품에는 자기 방전 및 메모리 효과의 문제도 지적되었지만, 그 후 개량에 의해 대폭적으로 개선되었다. 하이브리드 자동차에서의 채용 등이 알려져 있지만, 대용량 축전설비 등에서도 전개가 이루어지고 있다. 또 건전지를 대신해 사용할 수 있는 전지로서 반복 충전하여 사용 가능하기 때문에 장기간에 걸친 코스트 퍼포먼스(Cost Performance)를 고려한 경우, 가격이 저렴하기 때문에 확고한 시장을 형성하고 있다.
리튬 이온 전지 플러스 극에 리튬을 포함한 산화물, 마이너스극에 흑연, 전해질에 유기 전해액을 사용하고 있는 것이 리튬 이온 전지([그림 4] 참조)이다. 공칭전압이 3.7V로 높고, 높은 에너지 밀도와 메모리 효과가 없는 뛰어난 성능으로 당초에는 노트북 및 휴대전화 등 모바일 제품을 중심으로 사용되었으나, 그 후 전동공구에 있어서 전동 어시스트 자전거 및 전기자동차 시장으로의 침투가 진행됨과 동시에 대용량화를 추구하는 전력의 저장용 및 평준화용으로도 시장에 진출하고 있다.
전력저장용의 대형 축전지
산화와 환원에 필요한 물질을 외부에서 공급하고 있는 것이 레독스 플로우 전지이다. 최대의 특징으로는 활물질(活物質)을 저장하는 탱크를 크게 하는 것만으로 방전시간을 늘릴 수 있기 때문에 전력 저장 시스템용으로 기대할 수 있다는 점이다. 나트륨 유황 전지는 원래 미국의 포드가 자동차용 전지로 개발을 시작한 것이지만, 현재에는 변전소, 공장, 상업 빌딩에서 전력 저장용 시스템으로 이용되고 있다.<Energy News>
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