[한스경제=권선형 기자] 2차전지 중 가장 큰 형님이라고 할 수 있는 전지는 납축전지다. 발명가 가스통 플란테가 약 20년간 연구한 끝에 개발한 납축전지는 충방전이 가능한 2차전지다. 발명하게 된 결정적 해결점은 극판에 납을 사용한 것이었다.

납축전지는 양극판, 음극판, 전해질로 이뤄져 있다. 양극은 과산화납이 사용되고 음극은 납이 사용된다. 완충 상태의 납축전지에는 양극의 과산화납과 음극의 납 그리고 물과 묽은 황산이 섞인 전해액이 있다. 방전 과정에서 양극과 음극의 과산화납과 납이 모두 황산납으로 바뀌고 전해액 속의 황산은 줄어들어 물만 많아지게 된다. 반대로 완전히 충전되면 극판의 황산 비중이 줄어들고 전해액에는 황산 비중이 높아져 양극은 과산화납, 음극은 납으로 돌아가고 전해액도 물과 묽은 황산이 섞인 상태가 된다. 방전 시에는 음극에서 산화 반응이 일어나고 양극에서 환원 반응이 일어나게 되는 것이다. 충전 시에는 반대로 음극에서 환원 반응이 일어나고 양극에서 산화 반응이 일어난다. 모두 가역 반응이라 충전과 방전을 지속할 수 있다. 이러한 장점으로 납축전지는 1859년에 발명된 이후 현재까지 160년 이상 자동차용 배터리로 쓰이고 있다.

◆ 가격이 저렴하고 유지보수가 쉬운 납축전지

납축전지의 가장 큰 장점은 싼 가격이다. 납은 비철금속으로 아연보다 저렴하고 니켈과 비교하면 5분의 1에서 10분의 1밖에 되지 않아 그만큼 재료 수급이 쉬운 편이다. 구조가 간단해 유지보수도 쉽다. 

또한 전해질의 영향으로 저온과 고온 방전이 우수한 점과 짧은 시간 동안 강한 전류를 방전하는 점, 대용량이 가능해 다양한 크기로 제작이 가능한 것도 장점으로 꼽힌다. 잠수함에 탑재되는 30cm×30cm×150cm의 납축전지 450개는 중심추 역할까지 하고 있다.

반면 대표적인 단점은 2차전지 대비 수명이 짧고 에너지 밀도가 낮은 것이다. 자동차용 납축전지는 큰 상자처럼 생겼는데, 그 안에 2.1볼트의 전력을 가진 단위 셀 6개가 들어가 있다. 이들 셀을 직렬로 연결해야 12~13볼트의 필요 전력을 맞출 수 있다. 이밖에도 비교적 자기방전이 심하고 방전 후 장기 보전이 어렵다는 것이 단점으로 꼽힌다. 나아가 작은 사이즈로 개발이 어렵고 주재료인 납이 중금속이며, 수소가스 발생으로 화기에 주의해야 한다는 것이 단점으로 거론되고 있다. 이러한 단점으로 납축전지는 자체적으로는 발전에 발전을 거듭했지만 새로운 2차전지의 보급으로 2010년대 중반 이후로는 정체기를 맞았다. 

◆ 2차전지, “가격은 내리고 성능은 올려라”

최초의 2차전지인 납축전지는 충방전이 가능한 장점이 있지만 부피가 크고 수명이 짧다는 한계 때문에 산업 전반으로 확산되지 못했다. 자동차와 산업기기의 구동에 필요한 보조장치로 사용되는 정도였다. 하지만 많은 연구자가 납축전지를 보며 ‘단점은 해소하고 장점을 배가한 새로운 2차전지를 개발해야 한다’는 열정을 불태우게 된다. 이런 사실을 볼 때 납축전지는 2차전지 산업의 성장을 이끈 마중물이 됐다는 평가를 할 수 있다.

이후 2차전지에 이름을 올린 배터리는 1948년에 발명된 니켈카드뮴배터리다. 흔히 니카드배 터리로 불리며 전자기기에 사용돼 큰 인기를 누렸다. 니켈카드뮴배터리는 납축전지보다 튼튼하고 충격에 강하며 사용이 편한 밀폐형으로 만들 수 있어 휴대용 면도기, 무선 전화기, 전동공구에 사용됐다. 휴대기기의 성장세와 함께 새로운 시장의 주역으로 성장했다. 하지만 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전하면 성능이 저하되는 일명 ‘메모리 효과’ 때문에 소비자 만족도가 점차 떨어졌다. 이타이이타이병을 일으키는 등 인체에 유해한 카드뮴을 사용한다는 것도 문제로 지적됐다.

1990년 니켈카드뮴배터리의 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 니켈수소배터리다. 니켈수소배터리는 니켈카드뮴배터리보다 용량이 2배에 달하고 안전성이 높아 핸드폰과 노트북 등 새롭게 등장한 전자기기에 적용됐다. 하지만 1990년대 중반 리튬이온배터리가 보급되기 시작하자 성장세가 멈췄다. 리튬이온 배터리가 고용량과 장시간으로 시장을 확대하는 사이에도 니켈카드뮴배터리의 에너지 밀도는 큰 폭으로 개선되지 않았고 폭발적인 채용 증가도 나타나지 않게 된다.

현재 2차전지의 대표 선수로 꼽히는 리튬이온 배터리는 1990년대 초반에 등장했다. 1991년 소니가 상용화해 큰 인기를 누렸다. 그 이유는 우선 높은 용량을 들 수 있다. 리튬이온 배터리 1개는 니켈계 배터리 3개를 대체할 수 있을 정도여서 휴대용 전자기기에 필수품으로 자리 잡게 된다. 또한 간헐적이고 반복적인 충전에도 메모리 효과가 나타나지 않아 핸드폰과 노트북에 매우 적합한 기능을 수행했다. 이런 월등한 성능 차로 1990년대 중반에 비교적 고급 사양에 채용된 리튬이온 배터리는 2000년대 중반에는 전 기종으로 확산된다.

꾸준한 가격 하락은 리튬이온 배터리의 확산을 돕는 가장 강력한 동력이 됐다. 블룸버그 자료를 보면, 2013년 킬로와트시(kWh)당 732달러였던 리튬이온 배터리 팩 가격이 2022년에는 약 151달러로 떨어졌다. 약 10년 사이 약 20.6% 수준으로 떨어진 것이다. 현재 우리가 누리는 리튬이온 배터리의 편익은 그 수를 헤아리기도 어려울 정도로 다양하다. 리튬이온 배터리의 대중화를 위해 연구자, 개발자, 산업종사자의 고군분투가 상당했으리라 짐작되는 부분이다.

권선형 기자 peter@sporbiz.co.kr