2차 전지란?
2차 전지는 우리의 일상생활과 산업에 놀라운 영향을 미치는 혁신적인 기술입니다. 그러나 2차 전지의 역사는 오래되었습니다. 이미 1800년대 초반에 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지가 발명되었으며, 이후 1970년대에 니켈 금속-하이드라이드(Ni-MH) 전지와 함께 상용 전자제품에서 널리 사용되기 시작했습니다.
하지만 현재 2차 전지의 핵심은 리튬 이온(Li-ion) 전지입니다. 리튬 이온 전지는 1991년에 상용화되어 이후 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 다양한 분야에서 적용되면서 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 리튬 이온 전지는 다른 전지들과 비교해 높은 에너지 밀도, 경량화, 장기간 사용 가능 등의 장점으로 인해 지속적인 발전과 개선이 이루어지고 있습니다.
과거와의 비교
과거에 널리 사용되었던 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈 금속-하이드라이드(Ni-MH) 전지와 2차 전지 중 가장 현재에서도 주류로 사용되고 있는 리튬 이온(Li-ion) 전지를 비교해보면
에너지 밀도
과거에 널리 사용되었던 니켈 카드뮴 전지의 에너지 밀도는 낮았습니다. 니켈 카드뮴은 소형 기기에는 사용하기 용이하지만 대용량의 에너지 저장 시스템에는 적합하지 않았습니다. 니켈 금속-하이드라이드 전지는 니켈 카드뮴에 비해 높은 에너지 밀도를 가졌으나, 여전히 리튬 이온 전지에 비해 상대적으로 낮은 수준이었습니다. 리튬 이온 전지는 니켈 카드뮴과 니켈 금속-하이드라이드에 비해 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공하여 같은 크기의 전지로 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
메모리 효과
과거에 사용된 니켈 카드뮴과 니켈 금속-하이드라이드 전지는 메모리 효과라는 문제가 있었습니다. 이는 전지를 반복적으로 충전하고 사용할 때, 전지가 재충전하기 전의 최대 충전 용량으로 제한되는 현상을 의미합니다. 이는 전지의 사용 시간을 제한하고 사용자 편의성을 저해하는 요인이었습니다. 반면에 리튬 이온 전지는 메모리 효과가 거의 없거나 무시할 수준으로 매우 우수한 성능을 보여주어 사용자들이 더 오래 사용할 수 있도록 도와줍니다.
자기 방전률
니켈 카드뮴과 니켈 금속-하이드라이드 전지는 자기 방전률이 높아서 충전 후에도 에너지가 빠르게 소모되는 문제가 있었습니다. 이는 사용하지 않는 기간에도 전지의 에너지가 줄어들기 때문에 편리하지 않았습니다. 반면에 리튬 이온 전지는 자기 방전률이 매우 낮아서 더 오래 사용하지 않을 때에도 에너지 손실이 적어 사용자에게 더 편리한 선택이 되었습니다.
충전 속도
과거 니켈 카드뮴과 니켈 금속-하이드라이드 전지는 충전 시간이 상대적으로 오래 걸렸습니다. 특히 니켈 카드뮴 전지의 경우 "메모리 효과"로 인해 반복적으로 충전하는 경우 더욱 오래 걸렸습니다. 리튬 이온 전지는 빠른 충전 속도를 제공하여 더 짧은 시간에 충전이 가능합니다.
문제점과 해결
현재 2차 전지 업계는 여러 가지 문제점에 직면하고 있습니다.
첫째, 리튬 이온 전지의 경우, 드문 금속 원소인 코발트와 같은 소재의 고가격과 공급 부족 문제가 있습니다. 이로 인해 가격 안정성과 지속 가능성이 떨어질 수 있습니다.
둘째, 전기 자동차와 같은 대용량 전지의 경우 충전 시간과 주행 거리에 대한 요구 사항이 높아져 충전 인프라 구축이 필요합니다.
이를 해결하기 위한 방법은
첫째, 리튬 이온 전지의 경우 코발트를 대체할 수 있는 카드무늬(LFP)와 같은 새로운 소재의 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 소재는 비용면에서 효율적이며, 더 안정적이고 지속 가능한 2차 전지를 만들 수 있도록 도와줍니다.
둘째, 초고용량 전지 기술에 대한 연구가 진행 중입니다. 그중에서도 고체 리튬 이온 전지는 더 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 기술이 상용화되면 전기 자동차의 주행 거리를 크게 늘리고, 전기 그리드 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
셋째, 혁신적인 슈퍼커패시터 및 수소 연료전지와 같은 다른 에너지 저장 기술도 발전하고 있습니다. 이러한 기술들은 2차 전지와 보완하여 더 큰 규모의 에너지 저장 및 공급 시스템을 구축하는데 기여할 수 있습니다.