◆세계최초의 배터리는?

우리 일상생활에서 핸드폰부터 차량까지 빼놓을 수 없는 배터리 중 최초의 배터리는 2000년이 넘은 ‘바그다드 전지’다. 세계최초의 배터리인 바그다드 전지는 1932년 이라크의 수도 바그다드 근교 호야트럽퍼 유적에서 독일인 빌헬름 쾨니히(Wilhelm Konig)에 의해 발견됐다.

이 전지는 높이 약 14cm, 직경 약 8cm의 작은 항아리 모양이다. 항아리 속에 원통형 구리판을 넣고 그 중심에 철 막대기를 꽂아 전체를 아스팔트로 고정∙밀봉한 구조였다. 구리판이 양극, 철봉이 음극 역할을 하고, 식초가 전해액 역할을 해 전압이 발생시키는 형태다. 다만 사용처는 명확히 밝혀지지 않은 상황이다.

◆현대 전지의 원형은?

현대 전지의 원형은 이탈리아의 물리학자인 볼타(1745~1827년)에게서 출발한다. 볼타는 1800년대 실험을 통해 배터리를 발명해 ‘근대적 전지의 아버지’로 불리는 학자다.

1800년대 볼타는 금속과 금속 사이에 어떤 수용액이 관계해 전기가 발생한다고 추측했다. 이에 그는 여러 가지 금속과 수용액을 사용해 실험을 계속했다.

그 결과 소금물에 적신 종이를 은과 아연판 사이에 끼우면 전기가 발생한다는 사실을 발견했다. 또 구리와 아연판 사이에 소금물에 적신 종이를 끼워 겹겹이 쌓아 올리면 보다 큰 전기가 발생한다는 사실도 증명해 1800년에 발표했는데 이것이 ‘볼타 파일(Volta Pile·현대 전지의 시초)’이다.

아울러 볼타는 소금물 대신 묽은 황산을 사용하면 더 큰 전기가 발생하는 것을 발견하고, 이외에도 다양한 금속으로 실험을 반복해서 전기의 발생을 확인했다. 아연판이 음극, 구리판이 양극, 묽은 황산이 전해액 역할을 하여 전구에 불이 켜지는 형태로 전해진다.

볼타의 이러한 실험은 전기가 통하려면 양극, 음극, 전해액 역할을 하는 재료가 필요하다는 사실을 증명했다. 이로써 볼타가 배터리의 역사에 한 획을 그었다는 게 학계의 평가다.

◆현대의 배터리는?

일상 속 배터리는 삶의 동반자라고 해도 과언이 아니다. 스마트폰, 노트북, 전동공구, 전기자전거, 청소기, 전기자동차 등 가지고 다니거나 움직일 수 있는 제품에는 배터리가 모두 장착됐다.

이러한 제품들에는 주로 리튬이온 배터리(2차전지)가 탑재됐고, 이 배터리는 크기에 따라 소형·중형·대형으로 구분된다. 리튬이온 배터리는 크기가 작으면서도 부피가 작고 에너지 밀도는 높은 최적의 배터리로 외관의 특징에 따라 원통형, 각형, 파우치로 구분된다. 소형 배터리 기준으로 전동공구, 스마트폰, 노트북 등에 주로 채용되고 있으며, 최근에는 전기자전거, 전기자동차 등 모빌리티로 확대되고 있다.

◆리튬이온 배터리 중 맏형은?

리튬이온배터리 중 대표 격인 배터리는 소형배터리다. 그중 맏형 격인 원통형 배터리는 1990년대 초 일본에서 개발돼 상용화됐다.

1990년대 리튬 소형배터리는 1차 전지, 흔히 말하는 건전지와의 호환성을 유지하기 위해서 1차 전지의 규격을 따랐다. 당시에는 휴대용 전자기기의 2차 전지가 방전되었을 때 1차 전지를 구입해 임시로 사용할 수 있게 한 조처였다.

이후 소형배터리는 2000년대 휴대폰 및 노트북의 폭발적인 성장세를 바탕으로, 2002년 9억개에서 2008년 31억개로 연평균 성장률 24%를 기록했다. 특히 각형 배터리는 노키아, 삼성전자 등 휴대폰에 탑재되며 소형 배터리 내에서 50% 이상의 비중을 차지했다.

이처럼 호황기를 누렸던 소형 배터리는 노트북의 슬림화, 스마트폰 고성장, 태블릿 등장으로 원통형, 각형, 파우치 배터리 3형제 위상에 변화가 생기기 시작했다.

노트북에 주로 채용된 원통형 배터리는 2011년 정점으로 감소하고, 소형 배터리 성장을 이끌던 각형 배터리는 파우치 배터리 내장형 스마트폰 등장으로 인해 그 시장이 급격히 축소됐다. 파우치 배터리는 스마트폰과 태블릿의 시장 확대 때문에 성장은 했지만, 소형 배터리 시장 전체적으로는 정체기를 맞이했다.

정체기를 지나 소형 배터리는 미주 중심의 건설 경기 호황으로 무선 전동공구 고성장, 전기차 같은 대형 어플리케이션이 시장에 등장하면서 원통형 배터리 중심으로 대폭 성장했다.

특히 많은 용량이 필요한 전기차와 골프 카트 등 대형 어플리케이션에 원통형 배터리가 탑재되면서 기존 노트북, 전동공구에 비해 훨씬 많은 수의 배터리가 필요했다. 노트북이나 전동공구에 3~6개 정도 들어가던 원통형 배터리가 전기차에는 한 대에 수백개에서 수천개가 탑재되기 때문이다.

파우치형 배터리는 성장세도 눈여겨 볼만했다. 스마트폰, 무선 이어폰 같은 웨어러블 기기 시장이 본궤도에 오르며 성장세를 이어가 소형 배터리는 2018년 80억개로 전년 동기 대비 18% 성장했다.

◆미래 에너지 산업의 핵심은 배터리?

현대에 들어 생긴 수많은 무선 제품들은 배터리가 있기 때문에 운용이 가능하다. 특히 전기차, 전동공구, 전기자전거, 드론, 전동킥보드 등과 같은 소위 ‘신문물’들 역시 배터리가 있기 때문에 탄생할 수 있었다.

이러한 배터리의 발전은 IT, 운송수단 등 사람의 활용하는 모든 사물에 배터리가 동력원으로 활용되어 배터리가 미래 에너지 산업의 핵심이 되는 세상인 ‘BoT’로 인류를 이끌고 있다. BoT(Battery of Things)란 IT, 운송수단 등 사람이 활용하는 모든 사물에 배터리가 동력원으로 활용되고, 배터리가 미래 에너지 산업의 핵심이 되는 것을 뜻한다.

특히 모든 사물이 인터넷으로 연결되는 IoT 시대를 맞아 무엇보다 필수적인 것이 배터리다. 사람들은 IoT의 기반 기술로 5G에 주목하지만, 배터리가 없다면 5G도 소용없어지기 때문이다.

BoT 세상을 장소 기준으로 구분해 그 특징을 살펴보면 크게 가정, 이동, 여가로 나눌 수 있다.

가정에서는 ESS를 통해 태양광 발전기에서 생산된 전기를 저장, 언제든 자유롭게 사용할 수 있다. 청소기와 전동공구는 이제 선 없이도 사용 가능하며 스마트슈즈, 글래스, 워치 등 웨어러블 기기의 보급도 더욱 늘어날 전망이다.

이동 측면에서는 전기차뿐만 아니라 전기자전거, 전기 휠체어 등 이동 수단에서 전기동력화가 빠르게 진행되고 있다. 또한 전동킥보드와 같은 새로운 기기들도 속속들이 등장하고 있다. 여가 측면에서 살펴보면 우리가 평소 사용하는 컴퓨터, 태블릿PC 외에도 보조배터리, 카메라, 드론 등을 통해 언제 어디서든 기기를 사용할 수 있게 됐다.

임중권 기자 im9181@kukinews.com