현대인이라면 스마트폰에 표시된 앞의 그림을 보면 마음이 조마조마하실 것입니다.

이제 사물인터넷 시대가 열리면 스마트폰뿐 아니라 전기자동차와 가전기기 등 여러 곳에서 배터리 전력 잔량을 확인해야 하는 날이 오게 됩니다. 이처럼 사물인터넷 시대를 열어가는 가장 핵심 요소 중 하나는 바로 2차전지 배터리입니다. 인터넷에 들어가는 모든 사물에는 당연히 전력이 필요하게 되고, 특히 이동을 전제로 하는 기기라면 유연하면서도 안전하고, 또 효율이 높은 배터리의 존재는 필수 사항입니다.

사물인터넷의 등장으로 중요성이 커지고 있는 배터리는 언제부터 시작됐고 어떻게 진화하고 있을까요. 세상에 처음 나온 최초의 화학 전지는 1796년 이탈리아의 볼타가 개발한 '볼타 전지'입니다. 이 전지는 아연판을 묽은 황산에 담근 뒤 도선으로 두 금속을 연결하는 방식으로 만들어졌습니다.

이후 1836년 존 다니엘(Jhon Daniell)에 의해 최초 상용화에 성공한 전지(Zn-Cu)가 등장했으며, 1878년에는 프랑스의 르크랑셰가 휴대용으로 편리하게 간소화한 건전지인 '르크랑셰전지' 또는 '망간전지'라고 불리는 전지를 개발하면서 대중화의 초입 단계에 들어갑니다. 이후 소위 지금도 쓰이고 있는 납축 배터리가 등장해 20세기 초반부터 중반까지 2차전지 시장을 독점해 왔습니다.

그 다음 등장한 것이 니켈카드뮴 배터리입니다. 1960년대에 등장한 니켈카드뮴 배터리는 상대적으로 크고 무거운 납축 배터리가 진입하기 어려운 전동공구 등 소형 휴대기기 영역을 점령했습니다. 하지만 니켈카드뮴 배터리는 수명이 짧고 용량이 적으며, 소위 '메모리 효과'라는 단점 때문에 모바일 기기의 발전을 이끌기에는 부족했습니다. 메모리 효과란 완전 방전을 하지 않은 상태에서 다시 충전하게 되면 완전 충전을 해도 남은 잔량만큼의 에너지는 쓸 수 없게 되는 것입니다. 주로 초기 휴대폰에서 그런 현상을 종종 경험할 수 있었습니다.

그 단점을 보완한 것이 1991년부터 양산에 성공한 리튬이온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 중금속인 납을 주로 사용하는 납축 배터리에 비해 유해물질이 적고, 같은 용량을 기준으로 납축 배터리보다 크기와 무게를 4분의 1 수준으로 줄일 수 있습니다. 출력과 수명 등 안정성도 뛰어나 현시점에서는 가장 우수한 배터리 기술입니다. 대중화의 가장 큰 걸림돌이었던 가격 문제도 점차 해결되고 있어 앞으로 배터리 시장을 주도할 것으로 보입니다.

 

실제 시장조사기관과 업계에 따르면, 2013년 납축 배터리 시장 규모는 320억달러(34조원)로, 리튬이온 배터리 시장의 2배에 이릅니다. 2014년엔 납축 배터리 시장 중 약 15억달러(1조6000억원) 규모가 리튬이온 배터리로 대체됐으며, 이는 점차 가속화돼 2020년에는 대체 시장규모가 68억달러(7조원)로 커질 전망입니다.

하지만 아직 리튬이온 배터리가 사물인터넷 시장 확산을 이끌기에는 다소 부족한 것이 현실입니다. 우선 기기를 오랜 시간 동안 안정적으로 쓰기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 합니다. 그러면서도 동시에 폭발 없이 안전해야 하고 다양한 모양으로 구부리고 펼 수도 있어야 합니다.

이를 위해 배터리 업계에서는 다양한 노력을 하고 있습니다. 우선 용량을 늘리기 위해 에너지와 직접적인 관계가 없는 캔이나 파우치, 보호회로 등을 얇고 작게 만들어 체적 이용률을 줄이고 새로운 양극과 음극, 전해액 소재를 개발해 에너지 밀도를 꾸준히 높이고 있습니다.

플렉서블 배터리를 만들기 위한 노력도 이어지고 있습니다. 중·대형 배터리 시장에서 세계 1위를 차지하고 있는 LG화학의 경우 스마트워치용 초소형 폴리머 전지, 2단 이상의 계단식 구조인 스텝드 배터리, 휘어지는 커브드 배터리, 전선처럼 얇고 자유자재로 휘어지는 케이블 배터리 등 사물인터넷 시대에 적용 가능한 다양한 제품을 선보이고 있습니다.

 

소형 배터리 부문에서 세계 시장점유율 1위인 삼성SDI 역시 플렉서블, 롤러블, 투명 배터리 등 다양한 제품 디자인을 만들고 있습니다. 특히 배터리 안전 강화 차원에서 폭발을 근본적으로 막기 위해 액체 전해질과 분리막을 고체 전해질로 대체하는 기술을 개발 중입니다. 소위 '전고체 배터리'로 불리는 이 기술은 총알이 관통해도 터지지 않을 정도로 충격에 강한 특성을 가지는 만큼, 고밀도의 에너지를 저장할 수 있는 기술만 축적되면 자동차 등 중·대형 배터리 시장을 주도할 수 있습니다.

박정일기자 comja77@dt.co.kr

자료제공: 삼성SDI·LG화학