2차전지 전에 '전지'부터 알아보자-2

2차 전지에 대한 관심이 뜨겁다. 도대체 무엇이길래 산업계에서, 주식판에서, 뉴스에서 꾸준히 언급이 되는 걸까. 전지면 전지이지 2차전지는 무엇이란 말인가? 그럼 3차전지도 있을까? 이런 궁금증이 꼬리를 물다 보니 '전지'가 무엇인지부터 찾아보게 되었다. 

전지란 무엇일까? 이번 편에서는 전지의 구분에 대해 알아보았다.

 

전지란?

 

 

전지의 구분

전지의 구분

 

1편에서 잠깐 언급했듯이 전지는 원리에 따라 크게 화학전지, 물리전지, 생물전지로 구분된다. 이 중 생물전지는 아직 상업화되지는 않았고 연구 단계이다. 

이 글을 쓰는 계기가 된 2차 전지를 포함한 1~3차 전지는 화학전지에 속하며, 태양전지나 핵전지, 열전지는 물리전지에 속한다. 이를 좀 더 자세히 알아보자. 

 

 

화학전지

전지 내에서 산화 환원 반응(oxidation-reduction reaction)을 일으켜 이를 전기에너지로 변환하여 활용할 수 있게 한 것이 화학전지이다. 충전이 불가능한 1차전지, 충전이 가능한 2차전지, 외부에서 연료를 주입하는 방식의 연료전지(3차전지)가 있다. 

 

*산화 환원 반응 : 물질 간에 서로 전자를 주고(산화) 받는(환원) 화학 반응. 전지에서는 전해질 속에 이원화 경향이 서로 다른 두 금속을 담갔을 때 발생하는 산화 환원 반응을 이용한다. 

 

	1차전지	2차전지	연료전지(3차전지)
특징	1회 사용, 충전 불가	다회 사용, 충전 가능	외부에서 연료 주입 직접메탄올형을 제외하고 연료는 수소 사용
	건전지, 습전지	충전/방전, 메모리현상 有/無	수소 + 산소 → 물 + 전기
종류	망간전지, 알카라인전지, 수은전지, 리튬 1차전지	납축전지, 니카드(니켈카드뮴)전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지	알칼리형, 인산형, 고분자전해질형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 직접메탄올형
주요 용도	일반 생활용품(리모콘, 도어락 등), 의료기, 카메라	자동차, 휴대폰, 노트북	우주선, 잠수함, 분산전원

 

최근에는 대표적인 2차전지인 리튬이온전지의 성능의 한계를 극복한 차세대 전지로 전고체전지, 리튬금속전지, 수소연료전지가 급부상하고 있다. 

 

 

물리전지

물리전지란 물질의 물리적인 특성을 이용하여 타 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이며 현재는 일상생활 보다는 좀 더 큰 스케일에 적용되고 있다. 차세대 에너지원 중 하나인 태양광을 이용한 태양전지, 22년 발사된 누리호에 실려 전기를 생산한 원자력전지, 미사일의 핵심 중 하나인 열전지가 대표적인 물리전지이다. 

 

	태양전지	원자력전지	열전지
원리	빛 에너지 → 전기 (반도체를 이용한 광흡수 및 전하분리)	핵 붕괴 열 or 베타선 → 전기	열을 가해 고체 무기염전해질 활성화(기전력 발생), 고온의 전극에서 열전자 방출
종류	상용화 단계 : 1세대 (결정질 실리콘),                      2세대 (박막형),                     3세대 (페로브스카이트 등) 소재별:실리콘계, 화합물 반도체계, 유기계	RTG : 핵 붕괴 열 이용 베타전지 : 베타선 이용	열전쌍형 : 고체전해질+열→액화(활성화) 열전자형 :고온 전극 열전자 방출
주요 개발 분야	재생 에너지	우주선, 화성 탐사선	무기(미사일) 등 군사적 응용분야
특징	p형, n형 반도체 접합, 광기전효과	방사선동위원소의 반감기에 따른 수명	1차비축전지, 자기방전 없음, 장기보관

 

 

생물전지

효소와 미생물을 이용하여 산화 환원 반응을 일으키는 전지로 크게 생물연료전지와 생물태양전지가 있다. 생물전지는 아직 상업화되지는 않았지만 음식물쓰레기나 폐수등의 오염물질을 연료로 사용하거나 생명체의 혈액속 당분을 연료로 이용하는 등 친환경적인 에너지원으로써 응용 분야가 매우 광범위하여 미래 에너지원으로 기대되고 있다. 언젠가 영화 매트릭스에서처럼 인간을 이용한 전기 생산이 가능한 시대가 올 수도 있는 것이다. 

 

생물연료전지 : 생물의 대사과정을 이용, 미생물이나 효소로 전기를 생산하는 기술이다. 오염물질을 연료로 사용할 수 있는 미생물 연료전지(MFC, Microbial Fuel Cell)와 인체에 삽입되는 소형의료장치나 생체로봇에 응용되는 효소촉매전지(ECFC, Enzyme Catalyst Fuel Cell)가 있다.

생물태양전지 : 광합성 세균 등을 통해 태양에너지를 이용하여 전기를 생산하는 기술이다. 최근에는 조류를 이용해 광합성 과정에서 발생하는 전류를 얻는 실험에 대한 성공 사례가 발표되었다. 

 

마무리

전지에 대해 알아보다 보니 2차전지 뿐 아니라 차세대 전지로 사용될 다양한 전지들에 대한 흥미가 생긴다. 특히 기술력이 부족해서 액상전해질로 시작하여 결국엔 우리 기술로 고체전해질을 개발해 내었다는 미사일의 열전지에 대한 것이나 누리호에 실렸던 원자력전지에서 전기를 생산했다는 기사는 스페이스 오페라에 대한 상상력을 자극했고, 전기차와 수소차의 대결같은 리튬이온전지와 수소연료전지의 시장 및 개발 현황들을 비교하면 재미있겠다는 생각이 들었다. 

일상 생활에서 결코 떼어낼 수 없는 전기, 그 전기에 휴대성이 가해진 "전지"라는 것이 매우 흥미롭다. 

 

 

※ 출처 및 참고 

전지 및 발전기 표준화 방안 연구 - 국방기술품질원, 2014

2차전지 최신기술 및 시장동향 - 이윤철 외, 전자통신동향분석 제14권 제6호, 1999년 12월

K 뉴딜산업 INSIGHT 보고서3-연료전지 개요와 현황 - 한국수출입은행, 2021.08.06

모바일혁명의 숨은 주역-전지(2) - 중앙일보, 2002.02.25

태양전지(3세대)-2020, NICE평가정보(주)

태양전지 - 화학백과(네이버)

[기고]원자력전지, 극한환경에서의 전력시스템 - 에너지신문, 2020.09.23

누리호에 실려 우주로 날아간 원자력전지 전기 생산했다 - 동아사이언스, 2022.08.08

우주탐사선 전력원 '원자력전지' 성능 높였다 - 동아사이언스, 2023.10.16

열전지 개발 현황과 전략 - 국방과학연구소 정해원 책임연구원, 전기전자재료 제22권 제7호, 2009년 7월

미사일의 심장, 열전지의 모든 것 - 국방홍보원, 2018.07.19

생물전지 - 화학용어사전(네이버)

다시마, 미역에서 생물전지 '깜빡깜빡' - 한겨레, 2010.04.13

'남조류 광합성'만으로 반년 넘게 컴퓨터 작동 - 테크튜브, 2022.05.15