영상으로 살펴보는 리튬이온배터리의 작동원리! & “죽은 사람 살릴수 있다”는 믿음서 시작…대세가 된 이차전지 첫 모습은

프랑켄슈타인 책 표지. 프랑켄슈타인의 탄생은 이차전지로부터 시작한다.

1780년, 이탈리아 볼로냐대학의 생물학과 교수였던 루이지 갈바니는 개구리를 해부하던 중 신기한 현상을 발견하게 됩니다. 죽은 개구리 다리에 황동으로 만든 철사를 댔더니 다리가 꿈틀거리는 걸 발견한 겁니다. 자극을 받으면 죽었던 동물이 움직였기에 갈바니는 이를 ‘동물전기’라 이름 지었습니다.

아직 생물학을 비롯해 현대 과학이 정립되지 않았던 시기, 당연하게 사람들은 죽은 사람에게도 자극을 주면 되살릴 수 있다고 믿었습니다. 실제로 갈바니의 동생 알디니 갈바니는 사망한 사형수의 몸에 전기를 흘려주는 실험을 하기도 했다고 합니다.

이 갈바니 전지는 우리에게 친숙한 ‘프랑켄슈타인’으로 연결됩니다. 프랑켄슈타인의 저자인 메리 셸리는 한 친구가 갈바니 전지에 대해 이야기하는 것을 들은 뒤 꿈을 꿨습니다. 이 꿈을 토대로 메리 셸리는 프랑켄슈타인이라는 소설을 쓰게 됩니다. 갈바니 전지가 지금부터 이야기하려는 이차전지의 가장 기본적인 형태입니다.

이차전지는 뉴스에 끊임없이 등장합니다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 한국 기업들이 전 세계 배터리 시장을 선도하고 있기 때문입니다. 그런데 좀 어렵습니다. 최근에는 리튬이온이차전지라는 이름 외에 NCM이니, 나트륨이니, LFP이니 등 헷갈립니다. 전고체 전지는 출시만 되면 세상을 바꿀 것 같은데 되는 건지, 안 되는 건지 모르겠습니다.

루이지 갈바니는 죽은 개구리에 전기를 흘려 “사람도 살릴 수 있지 않을까”라는 생각을 한다.충전이 가능한 전지인 이차전지, 교과서에서는 어떻게 등장할까요.

중학교 2학년 과학 교과서를 살펴보겠습니다. ‘전기’ 단원이 등장하는데요 여기서 우리는 정전기 현상을 통해 전기의 개념이 대해서 배웁니다. 풍선을 머리카락에 비비면 머리카락이 풍선에 붙죠. 풍선을 벽에 비빈 뒤 가만히 놓으면 천장에 달라붙기도 합니다.

이는 마찰전기 때문인데요. 서로 다른 두 물체를 문지르면 한 물체에서 다른 물체로 ‘전자’가 이동합니다. 이때 전자를 잃은 물체는 (+)전하를 띄고 전자를 얻은 물체는 (-) 전하를 띕니다. 마찰로 전기를 띄는 현상, 이를 마찰전기라 부릅니다.

전자가 움직이면 전류가 흐릅니다. 전류의 세기는 기억하시나요. 암페어(A) 단위를 쓰죠. 전기 회로에서 전자는 (-) 극에서 (+)극으로 이동합니다. 전자의 존재를 몰랐을 때 과학자들은 전류가 전지의 (+)극에서 (-)로 흐른다고 정했는데 오랫동안 사용한 전류의 방향을 바꾸기가 쉽지 않았습니다. 그래서, 전류의 방향과 전자의 이동방향은 서로 반대라고 이야기합니다.

전류가 흐르는 이유는 간단히 설명이 가능합니다. 마치 높은 곳에 있는 물이 아래로 흐르듯이, 전류가 흐르기 위해서도 이런 ‘차이’가 필요합니다. 이를 ‘전압(V)’이라고 합니다.

전지와 콘센트 등에는 1.5V를 비롯해 220V 등의 숫자가 쓰여있는데, 전지의 전압이 클수록, 더 센 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 중학교때 그 유명한 공식 ‘옴의 법칙’을 배웁니다. 기억나시나요. V=IR. 즉 전압은 전류와 저항의 곱과 같습니다. 중학교 2학년 교과서에서 이차전지를 이해하기 위한 기본적인 지식은 모두 배웠습니다. 아주 간단하죠?

이제 충전과 방전을 이해해 보겠습니다. 2년을 뛰어넘겠습니다. 고등학교 1학년 통합과학 교과서를 펼쳐볼게요.

금속의 이온화 경향. 칼카나마…. <사진=비상 화학2>산화 환원 반응, 기억하시나요. 어떤 물질이 산소와 결합하는 반응을 ‘산화’라고 합니다. 녹이 슬거나, 불에 어떤 물질을 태우는 것 모두 산화 반응입니다. 흔한 예로 집에 있는 가스레인지를 켰을 때, 도시가스, 즉 메테인이 나와 공기 중의 산소와 만납니다. 이때 메테인에 있던 탄소가 산소와 만나 이산화탄소를 만들어 냅니다. 이것 역시 산화 반응입니다.

반대로 산소를 잃는 반응은 ‘환원’이라고 합니다. 예를 들어 순수한 ‘철’을 얻을 때 환원 반응이 일어나는데요, 지구에 있는 철은 주로 산소와 결합한 ‘산화철’로 이루어져 있습니다. 산화철을 코크스(C)와 섞어 고온의 용광로에 넣으면 코크스가 산소와 반응해 일산화탄소(CO)가 만들어지고 산화철은 산소가 빠진 뒤 순수한 철만 남습니다.

기억이 슬금슬금 나시죠. 조금 더 난이도 올라갑니다.

이제 전자의 이동으로 산화 환원을 이해해야 합니다.

마그네슘 산소를 붙이면 산화 마그네슘이 만들어집니다. 그런데 산화 마그네슘에서 마그네슘은 전자를 두 개 잃어요. 그래야 전자를 가진 산소와 결합할 수 있으니까요. 마그네슘은 산소와 만났으니 산화 반응을 일으킨 것인데, 전자는 잃었습니다. 즉 산화 반응은 산소와 결합하지만 전자를 잃는 반응이기도 합니다. 역시 환원은, 산소를 잃지만 전자를 얻는 반응입니다.

과학 교과서에서 항상 중요하게 배웠던 산화 환원 반응과 전자의 이동을 살펴볼게요.

화학전지 원리 <사진=위키>

소금물이 담긴 비커 안에 아연 막대와 구리 막대를 넣습니다. 그리고 두 금속에 전선을 연결하고 가운데 전구도 붙입니다. 그러면 전구에 불이 들어와요. 이유는 전자가 이동하기 때문입니다. 아연보다 구리가 반응성이 큽니다(전압 차이). 아연은 전자를 잃어서(산화) 아연이온이 됩니다.

아연에서 나온 전자는 전선을 따라 구리로 흘러 들어갑니다. 구리로 간 전자는 소금물에 있는 수소이온과 만나 수소기체가 됩니다. 어려운 거 다 빼고 아연은 ‘음극’, 구리는 ‘양극’, 소금물은 ‘전해질’입니다. 이차전지 기사에 자주 나오는 ‘분리막’은 소금물에 얇은 종이를 넣었다고 생각하면 됩니다.

왜 이리 복잡하고 딱딱한 내용을 설명하냐고 하실 텐데요, 이차전지 기사에 등장하는 수많은 용어와 시장의 흐름을 이해하기 위해서는 어쩔 수 없습니다. 이차전지는 특히 ‘투자’를 하시는 분들도 관심이 많으실 텐데, 이 분야를 연구하는 과학자가 아니라면 깊이 파고들 이유는 없지만 아주아주 기본적인 부분만 알고 계신다면 현재 돌아가는 ‘판’을 이해하는데 큰 도움이 되실 거라 믿습니다.

요약할게요. 전압의 차이에 의해서 전류는 흐릅니다. 이 전압의 차이는 양극과 음극에 어떤 소재를 넣느냐에 따라 결정되구요. 양극과 음극 사이를 나눠주는 소재는 분리막입니다. 이온의 이동을 돕는 ‘소금물’은 전해질이고요. 조금씩 이차전지 관련 기사가 이해되지 않으신가요.

그럼 다음 글에서 이차전지 기사를 중점적으로 살펴보겠습니다.