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[헤럴드경제=서경원 기자] 해외에선 테슬라, 국내에선 LG화학의 주가가 최근 역대 최고치를 기록하면서 차세대 전기차 배터리 시장이 그 어느 때보다 주목을 받고 있습니다. 이 때마다 언급되는 용어가 2차전지인데, 과연 2차전지란 뭘까요.

◆2차전지, 2차 뿐 아니라 N차까지 쓸 수 있는 전지

2차전지(secondary battery)란 쉽게 말해 충전 배터리라고 보시면 됩니다. 한번 쓰고 버리는 게 아니라 충전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있는 전지를 가리키는 것이죠. 우리가 흔히 한번 쓰고 버리는 망가니즈전지는 1차전지라고 불리죠.

2차전지에도 종류가 여러가지입니다. 처음 충전 배터리가 출시됐을 때 가장 보편적으로 사용됐던게 니켈·카드뮴 전지인데, 전용 충전 키트에 넣고 충전해보신 경험들은 다 있으실 겁니다.

이 전지는 값이 저렴하단 장점이 있지만, 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전할 경우 가용 전기량이 줄어든다는 단점이 있습니다. 이를 메모리 현상이라고 하는데요, 배터리 사용기간이 경과될수록 점차 수명이 단축되는 걸 피하기가 어려웠습니다.

2차전지 원리. LG CNS 자료

그래서 개발된 것이 리튬이온 전이인데요, 메모리 현상이 없고 안정성이 높으며 에너지 효율이 좋아 지금은 2차전지 시장의 대세로 자리매김한 상태입니다.

기본적으로 2차전지란, 전기 에너지로 전기 자체를 저장하는게 아니라 화학 에너지 형태로 전환해 저장하는 방식입니다. 전지 내 양극과 음극 사이에 이온이 이동하면서 전자의 흐름을 발생시키는 것이 전기인데, 이온 이동에는 물에 녹였을 때 전류가 흐를 수 있도록 하는 전해질이 필요합니다.

리튬이온 전지라고 했을 때 리튬이온이란 바로 전지 내 전해질이 리튬으로 돼 있다란 뜻입니다. 리튬 전지는 동일 용량의 다른 전해질보다 무게와 부피 소형화가 가능하며, 환경 규제 물질이 아니라는 점에서 친환경 소재로 각광을 받았습니다.

◆전고체로 진화하는 리튬이온전지

최근엔 전고체(solid-state battery) 리튬이온 배터리가 한 단계 진화된 2차전지로 떠오르고 있습니다. 전고체 전지는 액체 형태의 전해질을 고체로 대체한 것으로, 전해액과 분리막을 없애는 대신 그 안에 에너지 밀도가 더 높은 물질을 넣어 에너지 효율을 크게 신장시킬 수 있게 한 것이죠.

테슬라 등 완성 전기차 업체들이 줄기차게 주행거리 향상, 충전시간 단축, 수명 증가 등을 요구하고 있는 가운데 전고체 배터리로 상당 부분 이를 충족시킬 수 있는 기능을 보유할 수 있게 된 것입니다.

액체 형태의 전지는 만에 하나 양극와 음극의 접촉시 화재 발생 위험이 있는데, 전고체는 구멍이 뚫려도 정상작동할 수 있어 안정성 면에서도 뛰어다고 볼 수 있습니다.

하지만 전고체 전지가 실제 시장에 도입되는 시기는 2027~2030년 경일 것으로 전망돼 액체 형태의 리튬 이온 전지에 첨가제를 통해 성능을 개선하는 방안이 시도되고 있습니다. 음극재에서 에너지 용량을 높일 수 있는 실리콘 음극활물질이나 CNT(탄소나노튜브) 도전재 등입니다.

◆그럼 3차 전지도 있나요?

수소2차전지 원리. LG CNS 자료

그럼 3차전지도 있을까요? 네, 있습니다. 단순히 전기 충전으로 에너지를 저장하는 것을 넘어 수소를 주입해 산소의 전기 화학반응으로 배터리 자체에서 전기를 만들어 내도록 한 배터리를 3차전지라고 부르고 있습니다.

학창 시절에 한번 쯤 물을 전기분해 해본 경험이 있으실 겁니다. 일명 수소전지라 불리는 연료전지는 이의 반대 원리가 적용됩니다. 수소(H2)를 배터리에 주입하면 산소(O2)와 만나 전기와 물(H20)을 만들어내는 구조입니다. 2차전지처럼 전기를 직접 충전하지 않아도 주유하듯 수소를 넣어주기만 하면 영구적으로 사용 가능한 저공해, 고효율 에너지원입니다.

하지만 제조 원가가 높아 소재 가격의 현실화가 뒤따라야 할 것으로 보입니다. 우리나라의 현대자동차가 세계적으로 수소자동차 시장을 선도하고 있고요, 최근엔 스위스로 수소 트럭을 수출하기도 했습니다.

미국에선 수소트럭 설계기업인 니콜라의 주가가 급등하면서 시장의 관심을 한 몸에 받았고, 유럽연합로 수소경제 활성화 계획을 발표하면서 수소전지 시대의 개막을 예고하고 있습니다.

gil@heraldcorp.com