2차 전지(Secondary Cell) | 정의와 미래 산업을 주도하는 핵심 역할!
2차 전지는 현대 사회에서 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 전기 자동차 및 재생 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 이차 전지의 개발과 발전은 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 중요한 동력원으로 점점 비중이 커지고 있습니다.
특히 전기자동차 산업에서 주목 받기 시작한 이차 전지 시장은 2020년 대 한국, 일본, 중국 세 나라가 주도하고 있습니다.
2차 전지란 무엇인가?
2차 전지(Secondary Cell or Secondary cell battery)는 충전식 배터리(rechargeable battery), 축전지(저장용 배터리: storage battery), 등으로 불리고 있습니다. 줄여서 배터리로 부르기도 합니다.
2차 전지란 일회성으로 한번 사용 후에 버리는 1차 전지(primary cell)에 비해 여러 번 충전 후 사용할 수 있는 전지입니다.
※ 2차 전지 정의: 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장 후 재 사용 할 수 있게 만든 전지
AA 및 AAA 충전지
흔히 TV 리모콘에서 사용하는 AA 또는 AAA 건전지 등은 일회성이지만 충전지를 사서 충전기로 충전하면서 오랜 기간 사용할 수 있습니다. 보통 판매하는 회사에서는 500번 이상 충전할 수 있다고 말하며, 보통 충전지를 자주 사용하는 경우 1차 전지보다는 비싸지만 2차 전지를 구매해서 더 오래 사용하기 때문에 자주 사용하는 전자 기기에서는 경제적으로 사용할 수 있습니다.
이차 전지 종류
| 구분 | 리튬 이온 | 니켈 수소 | 니켈 카드뮴 | 리튬 폴리머 |
|---|---|---|---|---|
| 자연 방전 | 낮음 | 낮음 | 높음 | 낮음 |
| 메모리 효과 | 없음 | 보통(약간) | 높음 | 거의 없음 |
| 특징 | ·폭발 사고 위험 존재 ·역충전 위험성 ·높은 전압 ·가벼운 무게 ·이차 전지 시장 대부분을 차지 | ·저렴한 가격 ·니켈 카드뮴 전지와 동일한 전압으로 호환성 있음 ·급속 충전 및 방전 가능하며 우수한 저온 특성 ·밀폐화 가능하여 과충전 및 과방전에 강함 ·공해물질 발생량 극히 적음 | ·급속 충전 및 방전에 유리 ·전류 소모 후 완전 재충전 필요 ·전기 및 기계적으로 튼튼하며 긴 수명과 안정성 보유 ·튜브식: 수명이 가장 길고 완전 방전에 적합 ·포켓식: 두꺼운 형과 얇은 형으로 구분되며 완전 방전 및 급방전 양쪽에 사용됨 | ·고분자 전해질 사용: 이온 전도도와 안정성이 뛰어남 ·높은 유연성: 종이처럼 얇고 가벼워 다양한 형상 설계 가능 ·안전한 전해질: 반고체 상태인 젤로, 폭발 위험이 없음 ·주의 사항: 과충전, 과방전, 물리적 충격에 취약하여 파열 및 화재 등 치명적 고장 발생 가능 |
| 용도 | ·휴대전화 ·노트북 ·디지털 카메라 ·자동차 ·AA, AAA 충전지 | ·AA, AAA 충전지 ·하이브리드 자동차 배터리 ·RC카 배터리 | ·전동 면도기 ·충전용 진공 청소기 ·가정용 전화기 ·전동 드릴 ·RC카 | ·드론 ·핸드폰 ·RC카 |
2차 전지 원리
2차 전지는 앞서 언급한 것처럼 전기 에너지를 축적하고 다시 사용할 수 있는 장치입니다. 화학 반응을 통해 에너지를 저장하고 이를 방출하면서 전기를 생성합니다. 유형으로는 리튬 이온 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리, 리튬-폴리머 등이 있습니다.
2차 전지 원리는 다음과 같습니다.
※ 화학 반응: 2차 전지 내부에는 양극(양극성)과 음극(음극성)이라는 두 개의 전극이 존재하며, 이들은 화학적인 물질로 구성되어 있습니다. 충전할 때, 화학 물질들은 양극과 음극 간에 전자를 이동 시키며 화학 반응을 일으킵니다. ※ 전기 에너지 축적: 충전 과정에서 전기 에너지가 양극과 음극에 저장됩니다. 양극은 양극에서 음극으로, 음극은 음극에서 양극으로 전자를 이동시키면서 전기 에너지를 축적합니다. ※ 방전: 전기를 사용해 장치를 작동 시킬 때, 저장된 전기 에너지가 다시 양극과 음극 간에 이동하여 전기 에너지를 방출합니다. 이 과정에서 전자는 회로를 통해 흐르면서 일을 할 수 있게 됩니다. ※ 주기적 충전 및 방전: 2차 전지는 반복 적인 충전과 방전으로 사용됩니다. 충전기를 사용하여 전지를 충전하고, 장치를 사용하면서 전기 에너지를 소비한 후 다시 충전해 재 사용합니다. 2차 전지의 주요 특징은 재 사용 가능하며, 환경 친화적인 에너지 저장 솔루션입니다. 2차 전지 원리는 크게 4가지로 볼 수 있습니다.
종류 별 2차 전지 특징
1. 리튬 이온 전지
리튬이 주 소재인 리튬 이온 배터리는 평균 전압이 3.63.8V 범위에 있으며, 완전 충전 시에는 4.04.35V의 전압을 가집니다. 스마트폰, 휴대기기, 그리고 전기 자동차와 같은 다양한 기기에 널리 사용됩니다.
이 전지는 기존의 니켈카드뮴(NiCd)나 니켈수소(NiMH) 전지보다 전압과 용량이 크기 때문에, 현대 휴대기기와 전기 자동차에서 적극적으로 활용되고 있습니다. 이로써 “에너지 고밀도” 전지의 필요성을 충족하고 있습니다.
※ 전기자동차 리튬 이온 전지는 2020년 대 기후 위기 및 이와 연관된 여러가지 이유로 전기 자동차에 가장 많이 사용되는 배터리입니다. 또한 리튬은 희토류와 동일한 희소성을 가진 자원입니다.
2. 리튬 폴리머
리튬 이온 폴리머 전지는 리튬 이온 전지와 동일한 작동 원리를 가지며, 양극과 음극 사이에 젤 형태의 고분자로 분리막을 형성하고 전해질 역할을 합니다. 이름에 폴리머가 추가된 것은 리튬 이온과의 구별을 위한 것으로, 전반적인 작동 원리는 유사합니다.
3. 니켈 수소
니켈 수소 전지(Ni-MH, Nickel-Metal Hydride)는 니켈 카드뮴 전지 대비 고용량을 제공하여 2000년대 중반까지 널리 사용되었습니다. 주로 휴대용 카세트테이프 및 CD 플레이어, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등 다양한 기기에서 활용되었습니다. 경제적이고 친환경적인 장점을 가지고 있습니다.
이후 MP3 플레이어 및 디지털 카메라의 발전으로 인해 대부분의 기기가 내장형 리튬 이온 배터리로 전환되면서 니켈 수소 전지의 수요는 감소했습니다. 하지만 아직 RC카, 전동 에어소프트건 등 취미 용품 및 일부 전자기기에서 여전히 사용되고 있습니다.
4. 니켈 카드뮴
니켈 카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드)는 1899년에 발명 되었으며 두 번째로 발명 된 이차 전지입니다. 오랫동안 일상생활에서 주로 사용되었습니다. 그러나 지금은 환경 문제와 저용량으로 인해 건전지로 대체되어, 주로 전기 자동차와 하이브리드 자동차에서 아직 사용되고 있습니다.
2차 전지 미래
전기 자동차 시작은 테슬라를 시작으로 한국과 일본, 미국, 유럽 등의 주요 자동차 회사들이 내연 기관 자동차 시장에서 전기 자동차로 넘어가는 시기이기도 합니다. 2010년부터 시작되어 2020~2030년까지 전기 자동차 시장은 지속적인 성장을 이어나갈 것은 주식 투자자와 일반인들 모두 인지하고 있는 사실입니다.
2차 전지 미래를 많은 사람들이 주목하는 이유는 자동차 산업 때문이며, 반도체 산업 만큼이나 매우 중요한 일반인들의 일상과 매우 밀접한 관계를 가지고 있기 때문입니다.
이차 전지의 주요 문제 중 하나는 소형화 과정에서 안정성이 감소하는 경향이 있어 저장 에너지의 밀도를 높이기 어렵다는 점입니다. 또한, 리튬 이온 전지의 경우 리튬과 코발트와 같은 희소 자원을 사용하므로 가격이 높고, 화재 발생 시 확산을 막기 위한 방화벽 등으로 인해 부지 면적이 넓어지는 등 대규모 전력 저장 시설에는 적합하지 않습니다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 다양한 대체 안이 연구되고 있습니다. 전력 밀도가 높아지면 고성능의 소형 전자기기와 경량 전기차가 출시되고, 이로 인해 전 세계 전력 소비량이 급증할 것으로 예상됩니다. 이에 대비해 친환경 발전 사업과 태양광 발전 시설에 대한 투자가 늘어날 것으로 예상되며, 기업들은 전력 저장 기술의 혁신과 개선에 힘을 기울일 것입니다.
2020년 대에는 이차 전지에 관련 주식들이 지속적으로 주목을 받고 있는 시기이기도 하며, 이 추세는 오랜 기간 동안 이어질 것으로 전망되고 있습니다. LG 엔솔, 삼성 SDI, SK 이노베이션 등 대표적인 기업 외에 관련 기업들이 낙수 효과를 볼 것으로 기대하기 때문입니다.
테슬라와 같은 기업은 태양광 발전 및 에너지 저장 시설에 적극 투자하고 있어 이러한 추세에 따라 친환경 발전 사업의 변화가 예상됩니다. 이러한 노력은 미래에 더 지속 가능하고 친환경적인 에너지 시스템을 구축하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.
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