1차전지 2차전지 3차전지 - 1chajeonji 2chajeonji 3chajeonji

이차전지? 일차전지? 😢

최근 들어 뉴스에서 심심찮게 보이는 그 이름. 이차 전지에 대해 아시나요? 그런데 2차 전지라고 하니 자연스럽게 드는 궁금증이 있습니다. 바로 2차 전지라면 1차 전지도 있을까? 라는 원론적인 물음이죠. 그래서 오늘은 이차 전지란 무엇인지. 1차 전지와 2차 전지의 차이점이 무엇인지에 대해 생각해보도록 하겠습니다.

이차전지의 개념

2차 전지(二次電池, 영어: rechargeable battery, storage battery, secondary cell), 이전 명칭 축전지(蓄電池, 영어: accumulator)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말합니다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"라고도 불리는데요. 흔히 쓰이는 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-메탈 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있습니다.

※이해하기 편하시라고 표로 정리해 보았어요 😎

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지(primary cell)에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공하기 때문에 각광받고 있는데요. 최근 저희 알엠파워 홈페이지 메인에 뜨는 기사들에도 이차 전지 관련 좋은 소식들이 많습니다. 정부에서도 이차 전지 쪽을 예의 주시하고 있다는 시그널이죠.

아무튼 이런 이차 전지는 표준 AA, AAA, C, sub_C, D, 9볼트 등의 규격으로 생산 · 판매되고 있으며, 이러한 종류의 전지를 구매하는 소비자들 또한 이에 친숙해 있습니다. 여러 번 충전할 수 있다는 것이 장점인데요, 다만 이차 전지는 일차 전지에 비해 더 비싸고😢 이러한 전지에 쓰이는 화학부나 금속의 독성이 더 강한 편이라 주의해서 작업해야 합니다. 반면 일차 전지는 환경에 영향을 주는 독성 물질을 땅에 축적시키지 않는다고 해요. 아, 니켈 수소 축전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 주장하고 있다고 하네요.

이 중에서도 대중적으로 사용되는 것은 리튬 이온과 리튬 폴리머 배터리입니다. 우선 리튬은 소금 호수나 광석 등에서 추출하는 물질인데요. 지구상에 존재하는 물질 중 3번째로 가벼운 물질이라고 해요. 적은 무게로 더 높은 전압을 만들어낼 수 있기 때문에 수요는 점점 증가하고 있지만, 최근에는 수명이 다해 버려진 폐배터리 등에서 리튬을 추출하여 생산하는 재활용 제조 기법도 각광받고 있습니다. 알엠파워에서도 코나 전기차의 폐배터리를 탈거해서 파워뱅크를 만드는 작업을 했었답니다. 😎😎

이차전지의 VISION

사실 세계적인 대표 기업들이 2차 전지를 유망한 신산업으로 생각하고 적극적으로 투자하게 된 건 그렇게 오래 되지 않았는데요. 하지만 빠르게 주목받는 만큼 2차 전지를 구성하는 핵심 소재 분야는 기술경쟁이 점점 치열해지고 있죠. 특히 미래 산업의 쌀이라고 일컬어지는 리튬의 수요는 매년 증가 추세에 있습니다.

2019년에는 노벨위원회 위원인 Olof Ramström 교수가 인터뷰를 통해 "이 환상적인 배터리 덕분에 사회에 엄청난 극적인 효과를 볼 수 있습니다"라는 말을 한 적도 있습니다. 사실 리튬이온배터리는 휴대폰 및 노트북과 같은 무선 전자 장치의 기초를 마련했으며, 전기차에 전력을 공급하는 것부터 저장에 이르기까지 모든 것에 사용되고 있죠.

그 동안 리튬 이차전지의 최대 수요처는 노트북과 휴대폰과 같은 디지털 디바이스가 주를 이루고 있었지만, 현재 리튬 이차 전지의 응용 분야는 휴대용 정보통신 기기에서 고용량 이차전지인 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 우주 및 항공 분야, 에너지 저장 시스템 등으로 확대되고 있습니다. 이로 인해 리튬 배터리 시장은 지속적인 성장이 예측되고 있구요. 리튬이온배터리는 이미 세계적인 재생 가능한 에너지원으로 도약되었고, 새로운 재충전 세계의 기초를 만드는데도 큰 역할을 하고 있다고 볼 수 있겠네요😎

이렇듯 2차 전지 관련 기술은 점점 발전하고 고도화되고 있습니다. 실시간으로 2차전지의 안전성, 온도 특성, 충전 특성, 에너지 밀도 등을 측정할 수 있다면 성능 역시 빠르게 향상될 수 있을 것으로 예상됩니다만... (실제로 나노분석 시스템 등 다양한 기술들이 나오고 있더라구요!) 우리나라의 리튬 이차전지 산업도 모두 수요에 맞게 적극적인 투자와 연구개발이 필요한 시점이지 않나 라는 생각이 드네요.

개발을 통해 더욱 더 앞으로 나아간다면, 가벼우면서도 장시간 안전하게 사용할 수 있는 이차 전지 기술은 앞으로 국내 산업 경쟁력을 더욱 끌어올릴 수 있는 유망 분야가 될 수 있으리라 생각됩니다. 앞서 언급했던 2019년 노벨화학상 수여 중 언급되었던 문장을 인용하며 오늘의 RP레터를 마칠게요.

"LITHIUM-ION BATTERIES : We have yet to see the overall consequences of this development"

2차전지, 들어는 봤는데 아직 잘 모르겠다면?

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휴대용 전자기기, 전기차, 로봇 등 산업기술이 발전하면서 2차전지의 중요성이 나날이 높아지고 있다. 세계적 기업들이 2차전지를 새로운 성장동력으로 눈여겨보고 있는 이유도 이 때문이다.

포스코는 이미 그룹사 차원에서 2차전지 핵심 소재를 미래 신성장 사업으로 육성해왔다. 일반인에게는 다소 생소하게 느껴지는 2차전지. 포스코뉴스룸과 미래 먹거리로 불리는 2차전지에 대해 알아보자.

2차전지는 뭘까? 그럼 1차전지도 있을까?

▲이차전지인 리튬이온전지의 제조공정상 구성요소 및 산출물. 푸른색으로 표시된 영역은 포스코가 미래 신성장 사업으로 추진 중인 사업이다.

답은 YES. 1차전지도 있다. 1차전지는 쉽게 말해 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리다. 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 하는데 건전지, 알칼리전지가 대표적인 1차전지라고 할 수 있다.

2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생한다.

충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차전지로 꼽힌다.

양극재와 음극재는 무엇일까?

▲리튬이온 전지 개념도

양극재는 배터리의 (+)극, 즉 양극을 만드는 소재로 포스코그룹에서는 포스코ESM이 양극재를 생산하고 있다. 포스코ESM에서는 최근 니켈 80% 이상 고용량 Gradient-NCM 활물질도 세계 최초로 양산하는 등 후발주자임에도 불구 기술력에서 세계 유수의 이차전지 활물질 회사와 어깨를 같이 하고 있다.

음극재는 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재로 현재 포스코켐텍이 국내 유일의 음극재 양산 업체다. 포스코켐텍은 지난 11월 음극재 1공장을 종합준공하고 2019년 하반기까지 1단계인 4개의 생산라인을 완공해 연산 2만톤 생산능력을 확보하고 향후 시장 상황에 따라 2021년까지 총 10개의 생산라인을 순차적으로 증설해 연산 5만톤 규모로 확장할 계획이다.

리튬이온 배터리의 장점은?
앞서 설명한 1차전지의 경우, 한 번만 사용하고 버리게 되는데 이때 새 배터리를 만들기 위해 더 많은 자원이 소비된다. 방전 후에는 화학물질로 인해 환경오염을 일으킬 수 있다는 단점이 존재한다. 반면 2차 전지는 충전을 통해 500~2000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.

대표적인 2차전지로 꼽히는 리튬이온 배터리 역시 수명이 길다는 장점이 있다. 또 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하며 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않는다. 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없고, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점도 있다.

글로벌 2차전지 시장에서의 포스코는?

▲양극재를 생산하는 포스코ESM 구미 공장의 소성 공정 라인.

리튬은 전기차 및 에너지 저장 장치(ESS)의 필수 소재다. 리튬 수요량은 지난 2017년 25만 톤에서 2025년까지 71만 톤으로 약 3배가량 급증할 전망이다.

이처럼 리튬은 성장성이 높은 사업이다. 포스코는 지난 8년간의 노력으로 리튬 상업화 초기 단계까지 왔다. 2010년 포스코는 리튬 직접 추출 기술을 세계 최초 개발했다. 2013년부터 2015년까지 칠레 및 아르헨티나 염호에서 리튬 시험 생산에 성공했으며 2016년에는 광양제철소 내 연산 2,500톤 데모 플렌트를 건설하고 지난해 2월부터 탄산리튬을 생산하고 있다.

포스코는 올해 고성능 전기차용 배터리에 주로 사용되며, 공정관리가 까다로운 수산화리튬까지 생산에 성공했다. 국내 업체가 전량 수입에 의존하고 있는 고품위 수산화리튬을 국산화해 공급함에 따라 국내 리튬 2차전지 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.

┃2차 전지의 핵심은 리튬

리튬은 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속하며, 원자 번호는 3이다. 다시 말해 지구상에 존재하는 물질 중 세 번째로 가벼운 물질이라는 뜻이다.

최근 리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 ‘하얀 석유’라고도 불리게 된 것은 2차전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문이다. 휴대전화, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이어 전기 자동차, 로봇 산업에 필요한 2차 전지를 만들기 위해 리튬은 필수적인 소재로 주목받고 있다.

리튬을 활용한 2차 전지는 보통 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 낸다. 일반 전지의 전압은 약 1.3~2 볼트가량인데, 리튬이 포함된 전지의 전압은 3볼트 이상이다. 또한 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.

┃포스코가 선택한 미래 먹거리

▲포스코가 광권을 아르헨티나 북서부에 위치한 ‘옴브레 무에르토(Hombre Muerto)’ 염호 전경.

포스코는 당초 염호에서 리튬을 추출하는 기술을 기반으로 리튬 사업을 추진했으나, 염호 확보가 지연되면서 폐이차전지로부터 리튬을 생산하는 기술과 광석인 리튬정광으로 리튬을 추출하는 기술을 함께 개발하는 성과를 이뤘다.

올해 10월에 리튬 광석으로 제조가 가능한 설비를 준공해 폐이차전지뿐만 아니라 광석을 이용해서도 리튬 생산도 가능해졌다. 2021년부터는 광산권을 인수한 아르헨티나 염호로부터 리튬을 생산할 예정이다.

포스코는 전 세계에서 유일하게 폐이차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 연간 5만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망된다. 리튬 5만5,000톤은 전기차 약 110~120만대 분의 베터리를 제조할 수 있는 분량이다.

포스코는 지난달 5일 최정우 회장 취임 100일 맞아 ‘100대 개혁과제’를 발표하고 그룹 내 양·음극재 사업 통합, ‘이차전지 소재 종합연구센터’ 설립해 고객 맞춤형 제품개발로 시장을 선도하고 있다. 오는 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 17조 원 규모의 사업으로 키워 그룹 성장을 견인할 예정이다.

아울러 제철 과정에서 발생하는 부산물을 활용해 음극재 및 전극봉의 원료가 되는 침상코크스 생산공장을 포스코켐텍에 신설해 고부가 탄소 소재 사업으로 영역을 확대해 나갈 계획이다.