탄생부터 전망, 원리부터 활용까지 전지에 관한 거의 모든 것!

2차전지는 전기자동차를 타고 급성장 중 지금 전세계적으로 가파르게 성장하는 시장이 전기자동차 시장이다. 석유를 동력으로 하는 내연기관 자동차에 뒤이어 차세대 운송수단인 전기자동차는 2차전지가 만들어내는 전기를 동력으로 하고 있기 때문에 전기자동차 시장의 성장과 더불어 2차전지 시장도 급성장하고 있다. 2차전지는 충전하면서 반복해 쓸 수 있는 전지를 말한다. 현재 2차전지 시장을 이끌고 있는 전지는 리튬이온전지다. 스마트폰은 물론이고 대부분의 휴대전자기기와 전기자동차 전원장치로 리튬이온전지가 적용되고 있다. 이러한 상황으로 리튬이온전지에 대한 관심은 그 어느 때보다 뜨겁고, 리튬이온전지 산업을 이끌고 있는 우리나라의 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션 등의 기업가치도 지속적으로 올라가고 있다. 더욱이 완제품을 제조하는 기업뿐 아니라 리튬이온전지에 쓰이는 소재를 생산하는 국내의 기업들 역시 그 가치가 올라가고 있다. 리튬이온전지의 소재는 전극 소재, 양극 물질, 음극 물질, 전해질, 분리막 등인데, 전해질 소재를 제조하는 솔브레인, 전극 재료인 알루미늄박과 구리박을 제조하는 삼아알미늄과 일진머티리얼즈, 분리막 원료를 제조하는 대한유화, 양극재를 제조하는 포스코케미칼과 코스모신소재, 전극 내에서 전자가 잘 이동하도록 도와주는 도전체를 제조하는 나노신소재, 전해질에 들어가는 리튬염을 제조하는 후성 등 수많은 국내의 소재기업 가치가 상승하고 있다. 최근 일본의 소재 수출 규제로 정부가 국내의 소재기업을 적극 지원하고 있기 때문에 이러한 추세는 당분간 지속될 것이다. 특히나 전기자동차 원가의 절반 이상을 리튬이온전지가 차지하고 있고, 리튬이온전지 원가의 절반 이상을 소재가 차지하고 있는 상황을 고려하면 국내 리튬이온전지 관련 소재기업의 가치는 더욱 상승할 것이다.

들어가며
감수자의 글-기후변화의 위기 속에서 기회가 되어주는 2차전지

1장 전지에 관한 아주 기초적인 이야기
1 우리 주변에 있는 다양한 전지
2 형태로 분류한 화학전지
3 화학전지의 발명과 진화
4 자동차배터리로 맹활약하는 세계 최초의 2차전지
5 전지의 기초-전지의 기본 구조
6 전지의 기초-화학반응식으로 이해하는 전지반응
7 전지의 기초-산화환원 반응
8 전지의 기초-수소반응에 의한 전압 저하
9 볼타전지를 개량한 다니엘전지
10 전지의 전기를 만드는 이온화경향에 관하여
11 이온화경향을 보여주는 표준환원전위
12 깁스에너지, 표준환원전위를 구하는 또다른 방법

2장 건전지와 2차전지 이야기
1 건전지의 구조와 원리
2 알칼리망간건전지의 ‘알칼리’란 뭘까
3 전지의 성능-기전력의 크기
4 전지의 성능-출력의 크기
5 전지의 성능-얼마나 오래 쓸 수 있을까
6 전지의 성능-에너지의 크기
7 1차전지는 왜 충전할 수 없을까
8 전통의 자동차배터리, 납축전지
9 납축전지의 전지반응
10 납축전지는 왜 열화하는 걸까
11 에디슨이 발명한 니켈-철 전지
추억의 빨간 망간과 검은 망간

3장 다양한 2차전지 이야기
1 니켈계 2차전지
2 니켈-카드뮴전지
3 니켈-아연전지
4 니켈-수소전지
5 우주에서 활약하는 또 하나의 니켈-수소전지
6 NAS전지
7 산화환원 흐름 전지
8 제브라전지
9 산화은 2차전지
10 2차전지의 충전
11 스마트폰과 전기자동차의 급속 충전
12 무선 충전 기술
13 충전효율과 사이클수명
14 충·방전 문제-메모리효과와 리프레시 충전
15 충·방전 문제-덴드라이트
16 충·방전 문제-활물질의 미세화와 고립화
17 충·방전 문제-과방전과 과충전
18 축전지와 축전기 중간쯤에 위치한 전기 이중층 축전기
헷갈리는 아니온과 카티온, 애노드와 캐소드

4장 다양한 리튬이온전지 이야기
1 리튬계 전지의 역사
2 리튬이온전지의 원리
3 리튬이온전지의 형태와 용도
4 양극에 따라 달라지는 리튬이온전지
5 리튬이온전지의 종류-리튬코발트산화물이온전지
6 리튬이온전지의 전해액
7 리튬이온전지 분리막의 기능과 소재
8 리튬이온전지의 종류-리튬망간산화물 이온전지
9 리튬이온전지의 종류-리튬인산·이온전지
10 리튬이온전지의 종류-삼원계와 니켈계 리튬이온전지
11 리튬이온전지의 종류-리튬폴리머 2차전지
12 사고를 방지하는 배터리관리시스템
13 리튬이온전지의 열화와 재활용
14 리튬 2차전지의 종류-이산화망간-리튬 2차전지
15 리튬 2차전지의 종류-리튬티탄산화물 2차전지
16 리튬 2차전지의 종류-바나듐계, 니오브계 리튬 2차전지
산화수와 전하

5장 차세대 2차전지 이야기
1 차세대 2차전지의 선두를 달리는 전고체전지
2 리튬-황전지는 꿈과 같은 리튬금속 2차전지
3 최고의 2차전지라는 리튬-공기 2차전지
4 나트륨이온전지
5 다가이온전지
6 유기라디칼전지
7 전환전지
8 플루오르이온 셔틀전지
9 이중이온전지
10 바이폴라 2차전지
11 리튬이온축전기
12 리튬이온전지의 후계자는 역시 리튬이온전지일까
우주에서 활약하는 리튬이온전지와 이온엔진

리튬이온전지와 건전지 외에도 수많은 종류의 전지가 있다. 전지는 먼저 기본 원리에 따라 화학전지와 물리전지로 분류할 수 있다. 화학전지란 화학반응으로 전기를 발생시키는 장치다. 건전지와 리튬이온전지는 화학전지에 속한다. 화학전지는 다시 1차전지, 2차전지, 연료전지로 분류할 수 있다. 1차전지는 정해진 용량을 다 쓰면 끝인 일회용 전지를 가리키는데, 방전이 끝나면 폐기할 수밖에 없다. 리모컨이나 시계에는 보통 1차전지인 알칼리망간건전지 등을 사용한다. 물론 니켈-수소전지 같은 2차전지를 쓰는 사람도 있다. 2차전지는 다 쓴 후에도 충전해서 여러 번 다시 쓸 수 있는 전지를 말하며, 충전지나 축전지라고도 불린다. 리튬이온전지는 2차전지에 해당한다. -19~20쪽화학전지는 쓰이는 기기와 사용조건에 따라 여러 형태로 분류할 수 있다. 우리가 평소에 많이 쓰는 원통형 전지에는 D, C, AA, AAA, N의 네 종류가 있다. 원통형 전지로는 1차전지인 망간건전지와 알칼리망간건전지 외에도 2차전지인 니켈-카드뮴전지(니카드전지), 니켈-수소전지, 리튬이온전지 등이 있다.건전지 중에는 원통형 전지보다 더 큰 직육면체 모양의 각형 전지도 있다. 각형 건전지를 적층 건전지라고도 부르는데, 이것은 내부에 여러 건전지가 직렬로 연결되어 있기 때문이다. 건전지 1개의 전압은 1.5V이므로, 전지를 6개 연결해서 만든 각형 건전지의 전압은 9V다. 각형 전지는 전동공구나 무선조종 자동차 등 높은 전압이 필요한 기기에 주로 쓰인다. 각형 전지로는 망간건전지와 알칼리망간건전지, 니켈-수소전지 등이 있다. -24쪽볼타전지에서는 아연판이 음극이고 구리판이 양극이다. 두 가지 금속이 있는데, 하나는 음극, 또 하나는 양극이 되는 이유는 무엇일까? 그 이유는 아연이 구리보다 더 쉽게 이온이 되기 때문이다. 즉 ‘금속이 용액에 녹아서 양이온이 되려는 정도’인 이온화경향이 크기 때문이다. 주요 금속의 이온화경향을 표 1-2에 정리했으며, 40페이지에서도 이온화경향을 자세히 설명한다.하지만 볼타전지에서 전류가 흐르는 진짜 이유는 아연과 구리의 이온화경향 차이가 아니라, 아연과 구리와 수소라는 세 가지 원소의 이온화경향 차이다. 구리는 수소보다 이온화경향이 작으므로 묽은황산에는 거의 녹지 않는다. 한편 아연은 수소보다 이온화경향이 크므로 묽은황산에 넣으면 녹아서 아연이온이 되며, 아연의 표면에서는 수소기체가 발생한다.따라서 묽은황산에 아연판과 구리판을 넣으면, 아연은 녹고 구리는 그대로다. 그리고 이 둘을 도선으로 이어 주면 볼타전지가 된다. -39쪽 알칼리망간건전지는 이름처럼 망간전지와 비슷한 점이 많다. 예를 들어 음극 활물질이 아연이고 양극 활물질이 이산화망간이라는 점은 망간건전지와 똑같다. 공칭전압(기전력)도 둘 다 1.5V다.그러나 음극과 양극의 구조는 망간전지와 정반대다. 알칼리망간건전지에서는 철 등의 금속케이스가 양극의 집전체에 해당하며, 그 안에는 양극 활물질인 이산화망간과 탄소가루의 혼합물을 펠릿 상태로 만든 것이 들어 있다.음극 활물질로는 수소 발생을 막는 감극제와 아연가루를 섞어서 젤 상태로 만든 것을 사용한다. 전해질이 스며들어 있는 분리막 안쪽에 이 음극 활물질이 채워져 있다. 또한, 중심에는 음극의 집전체인 황동막대가 들어 있다. 물론 황동막대는 음극이므로 전지의 플러스단자와는 이어져 있지 않다(그림 2-3).이처럼 알칼리망간건전지는 망간건전지의 안팎을 뒤집은 구조를 하고 있다. -82~83쪽니카드전지의 가장 큰 단점은 인체에 유해한 카드뮴을 전극으로 사용한다는 것이다. 1960년대에 일본을 뒤흔든 공해병 중 하나인 ‘이타이이타이병’을 일으킨 것도 광산의 폐수에 들어 있는 고농도 카드뮴이었다. 에디슨이 니켈-철전지를 개발한 이유도 유해한 카드뮴을 사용하지 않기 위해서였다.인체에 유해하다는 점 이외에도 니카드전지는 메모리효과와 자체 방전이 심하다는 점, 열폭주를 일으킬 위험이 있다는 단점도 가지고 있다.열폭주란 영어로 ‘서멀 런어웨이thermal runaway’라고 하는데, 발열이 발열을 부르면서 온도를 제어할 수 없게 되어 비정상적으로 뜨거워지는 현상을 말한다. -136쪽2차전지의 용량이 아직 남아 있는 상태에서 방전을 멈추고 충전을 하다 보면, 사용 가능한 용량이 남아 있는데도 갑자기 전압이 떨어질 때가 있다. 이를 메모리효과라고 하는데, 마치 용량이 감소한 것처럼 보이는 현상이다.특히 늘 특정 용량을 남겨둔 채로 충·방전을 되풀이하면, 해당 용량 부근에서 메모리효과가 현저하게 나타난다. 마치 전지가 예전에 언제 충전했는지 기억하는 것 같다고 해서 메모리(기억)라는 이름이 붙었다. 그러나 모든 2차전지에서 메모리효과가 일어나는 것은 아니다. 주요 2차전지 중에서는 니카드전지에서 가장 잘 일어나며, 니켈-수소전지에서도 발생한다. 한편으로 리튬이온전지에서는 메모리효과가 일어나도 거의 영향이 없으며, 납축전지에서는 전혀 발생하지 않는다. -193쪽리튬이온전지 외에도 리튬이나 리튬합금을 전극으로 사용하는 다양한 전지가 있다. 우선 전지반응의 원리에 따라 리튬계 전지를 분류하면, 양극으로 리튬합금을 사용하는 리튬이온전지와 음극으로 리튬금속(혹은 리튬합금)을 사용하는 리튬금속전지로 나눌 수 있다. 리튬금속전지는 그냥 리튬전지라고도 불리며 대체로 1차전지지만, 음극으로 리튬합금을 사용하는 2차전지도 있다. 이렇게 리튬이 전극 재료로 인기가 있는 데에는 이유가 있다. -214쪽리튬이온전지의 역사를 살펴보면, 발화와 파열사고에 대처하는 방법을 개발하는 것이 주요 연구 주제였다. 사고의 원인은 크게 기계적 원인과 전기화학적 원인으로 나눌 수 있다. 기계적 원인으로는 강한 충격, 낙하, 상처 내기, 기기불량 등이 있고 전기화학적 원인으로는 과방전, 과충전, 장기 보관, 부적절한 사용법 등이 있다. 부적절한 사용법이란 예를 들어 양극과 음극 표시를 지키지 않고 전지를 거꾸로 넣어서 쓰기, 새 전지와 오래된 전지를 연결하기, 종류가 서로 다른 전지를 연결하기 등이다.하지만 리튬이온전지를 포함한 대부분의 2차전지는 방전 자체가 발열반응이므로 열에 의한 영향을 피할 수 없다. 따라서 전지의 온도 관리와 열폭주 방지가 매우 중요하다. 참고로 니카드전지와 NAS전지는 방전도 발열반응이지만, 니켈-수소전지는 방전이 흡열반응이고 충전이 발열반응이다. -261쪽차세대 2차전지 연구에서는 아주 다양한 가능성을 시험하고 있기에, 수많은 후보 전지가 존재한다. 주로 어떤 성능을 향상하려 하는지 전기자동차를 예로 들어 그림 5-1에 정리했다. 각 항목의 연구 대상은 주로 전해질, 양극, 음극의 세 분야로 나뉜다.현재 연구 중인 차세대 2차전지 가운데 유망한 상위 5순위를 굳이 고른다면, ①전고체전지, ②리튬-황전지, ③금속-공기전지, ④나트륨이온전지, ⑤다가이온전지를 들 수 있다. 하지만 그 밖에도 주목할 만한 또 다른 여러 전지가 있으므로, 어느 것이 앞으로 천하를 제패할지 섣불리 단정할 수는 없다. -282쪽

전지에 관한 거의 모든 것을 담은 책이 때문에 2차전지에 대한 일반인들의 관심도 뜨겁다. 사람들은 2차전지가 지금까지 계속 써오던 전지들과 어떻게 다르기에 자동차까지 움직일 수 있는 건지 궁금해 하고, 2차전지 산업의 급성장과 더불어 그 가치가 계속 올라가고 있는 관련 기업들에 대해서도 궁금해 하며, 미래의 석유라고 불리는 2차전지 산업에서 엔지니어로 일해보고 싶은 사람도 있을 것이다. 《처음 읽는 2차전지 이야기》는 전지의 탄생부터 미래 전망까지, 또 기초원리부터 계속되는 혁신까지, 매우 다양한 전지들을 총망라하여 전지에 관해 거의 모든 것을 다룬 책이다. 또한 《처음 읽는 2차전지 이야기》를 읽으면 건전지는 왜 ‘건’전지라고 불리는지, 왜 1차전지는 충전할 수 없는 건지, ‘급속 충전’과 ‘일반 충전’의 차이는 무엇인지 같은 전지와 관련된 정말 많은 궁금증도 저절로 풀릴 것이다. 1장 전지에 관한 아주 기초적인 이야기에서는 제목 그대로 전지에 관한 기초 지식을 설명한다. 주변에서 흔히 찾아볼 수 있는 1차전지를 설명한 다음 2차전지를 설명하는데, 사실 이 두 전지의 차이는 아주 근소하기 때문에 1차전지의 원리를 알면 2차전지도 쉽게 이해할 수 있다.2장 건전지와 2차전지 이야기에서는 가장 흔히 접할 수 있는 건전지를 예로 들어 전지의 성능에 관해 살펴본다. 그리고 왜 1차전지는 충전할 수 없는지 설명하는데, 이는 2차전지는 어떻게 해서 충전할 수 있는지에 대한 설명이기도 하다.3장 다양한 2차전지 이야기에서는 현재 가장 널리 쓰이는 리튬이온전지 외에 니켈-카드뮴전지, 니켈-아연전지 같은 니켈계 2차전지, NAS전지, 산화환원 흐름 전지 등 다양한 2차전지들을 소개한다. 4장 다양한 리튬이온전지 이야기에서는 리튬이온전지를 소개한다. 지금 가장 널리 쓰이는 2차전지가 리튬이온전지인데, 리튬이온전지에도 다양한 종류가 있다. 이 전지들을 소개한다. 5장 차세대 2차전지 이야기에서는 리튬이온전지를 뛰어넘게 될 2차전지들을 소개한다. 아직은 여러 가지 이유로 리튬이온전지만큼 널리 쓰이고 있지는 않지만, 획기적인 성능의 2차전지가 언제 개발되어 대중화될지는 아무도 모를 일이다.중고등학교 수준의 화학지식이면 이해할 수 있다전지에 관해 거의 모든 것을 다룬 《처음 읽는 2차전지 이야기》는 일본의 유명 과학저술가인 시라이시 다쿠가 썼고, 한국에너지기술연구원의 한치환 박사가 꼼꼼히 감수를 보고 우리나라 상황을 보충했다. 이 책에는 여러 화학반응식이 등장하는데, 화학반응으로 전기를 만들어내는 화학전지를 설명하려면 꼭 필요하기 때문이다. 하지만 미리 겁먹을 필요는 없다. 쉬운 식은 중학교 수준부터 어려운 식도 고등학교 수준의 화학 지식만 알면 충분히 이해할 수 있는 수준이니 말이다. 2차전지는 특히 우리나라에게는 반도체만큼이나 중요한 먹거리가 되고 있기 때문에 2차전지에 대한 관심이 뜨거울 수밖에 없다. 《처음 읽는 2차전지 이야기》는 2차전지에 대한 기본적인 궁금증을 해소해주는 것은 물론이고, 기존의 2차전지를 뛰어넘는 더 훌륭한 2차전지가 우리나라에서 개발되는 데 밑거름이 되어줄 것이다.