Q&A로 살펴본 ‘전지’…현대 전지의 원형은?

세계 최고(最古)의 전지, ‘바그다드 전지’

기사승인 2020-03-07 01:00:00

[쿠키뉴스] 임중권 기자 =◆세계에서 제일 오래된 배터리는?

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

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. 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.

플랑테 전지의 발전원리 ◆충전이 가능한 2차 전지의 시초는?

볼타가 개발한 전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 안 되는 전지였다.

이러한 전지는 ‘1차 전지’로 부른다. 현대 인류가 스마트폰이나 전기차 등에서 사용하는 전지는 충∙방전을 통해 여러 번 사용이 가능한 ‘2차 전지’라고 불린다.

2차전지의 원형은 19세기 프랑스로 거슬러 올라간다. 당시 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테(Gaston Plante)는 실험 중 납(Pb)을 묽은 황산(H2SO4)에 넣어 전류를 통하면 충전과 방전이 된다는 사실을 발견했다. 이렇게 만들어진 전지가 ‘플랑테 전지(납축전지)’다. 납이 음극, 이산화납이 양극, 전해액으로 묽은 황산이 사용됐고, 두 개의 납 판이 서로 접촉되지 않도록 사이에 절연 밴드를 끼워 놓은 형태였다.

2차 전지는 이후 꾸준한 기술 개발을 통해 니켈-카드뮴 전지, 그리고 현재 스마트폰이나 전기자동차에 사용되는 리튬이온 전지까지 다양하게 발전돼 우리 생활을 더욱 편리하게 도와주고 있다.

◆현대의 배터리는?

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

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.

한편 배터리의 발전은 배터리가 미래 에너지 산업의 핵심이 되는 세상인 ‘BoT’로 인류를 이끌 것으로 기대된다. BoT(Battery of Things)란 IT, 운송수단 등 사람이 활용하는 모든 사물에 배터리가 동력원으로 활용되고, 배터리가 미래 에너지 산업의 핵심이 되는 것을 뜻한다.

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 것으로 기대된다.

이동 측면에서도 전기차뿐만 아니라 전기자전거, 전기 휠체어 등 전기동력화가 빠르게 진행되고 있다. 또한 전동킥보드와 같은 새로운 기기들도 속속들이 등장하고 있다.

여가 측면에서 살펴보면 컴퓨터, 태블릿PC 외에도 보조배터리, 카메라, 드론 등을 통해 언제 어디서든 기기를 사용할 수 있게 됐다.

im9181@kukinews.com