전지(장치)

 


1. 개요
2. 기술적 한계
3. 전기화학 전지
4. 여담
5. 관련 문서


1. 개요

Battery ・ 電池
물리적 또는 화학적 작용을 통해 전기 에너지를 발생, 공급시키는 장치. 영어로는 배터리라고 하며 이는 넓은 범위에서는 전지, 좁은 범위에서는 축전지를 뜻하는 말이다. 즉 건전지는 배터리의 범주에서 제외하는 경우가 있다. 흔히 밧데리, 빳데리, 빳떼리, 빠떼리 등으로 말하는데 이는 쎄루모다(셀 모터), 악세레다(액셀러레이터), 도라꾸(트럭) 등과 같은 일제강점기의 언어적 잔재이다.[1] 차량 배터리 한정으로 가장 유명한 '로케트'라 불리기도 한다.
가장 흔하게 볼 수 있는 종류의 전지는 역시 화학 전지. 보통 두 가지 금속의 이온화도 차이에서 오는 전위차를 이용한다. 이온의 양이 많을수록 흘려보낼 수 있는 전하의 양도 많기 때문에 같은 종류인 전지의 용량은 크기에 거의 비례한다. 알칼리전지, 수은전지, 리튬이온전지, 건전지가 대표적인 예. 구조 자체는 간단하기 때문에 초등학교 과학실험에도 등장한다. 구리판과 아연판을 산성 용액(묽은 염산이나 묽은 황산)에 담근 뒤 두 판에 꼬마전구로 연결되는 전선을 연결하면 전구에 불이 켜지는 실험이 그것. 집에서는 간단하게 귤이나 레몬, 오렌지 같은 산성을 띠는 과일을 이용해도 된다. 전류가 약하기는 하지만 실사용이 아니니 상관없다.
충전 가능 여부에 따라 충전이 불가능한 1차 전지와 충전이 가능한 2차 전지로 나뉜다. "충전 가능"이란 용어를 엄밀히 풀어 쓰면, 에너지가 공급되면 "방전되기 전의 상태로 돌아가는 가역반응"이 가능한가로 해석할 수 있다. 1차 전지는 재료를 구해다 꽂으면 전지가 되는 것, 2차 전지는 재료를 조립하고 1차 전지로 충전해줘야 전지가 되는 것. 3차 전지는 2차 전지로 충전. 발전기가 발명된 이후로는 1차 전지로 2차 전지를 충전하는 뻘짓을 안 하게 되고, 방전만 가능하냐 충방전이 가능하냐 개념만 남는다. 휴대용 전자기기와 전기 자동차의 발전으로 2차 전지 관련 산업이 엄청나게 커졌다.
전지의 용량은 전류 x 시간을 뜻하는 암페어시(Ah)가 쓰인다. 예를 들어, 3Ah 라는 수치가 적혀있는 전지라면 시간당 3A까지의 전하를 내놓을 수 있는 전지라는 뜻. 따라서 부하가 시간당 1.5A를 사용한다면 2시간, 6A를 사용한다면 30분만에 소모되는 수치라는 의미이다.

2. 기술적 한계

워낙 일상적으로 쉽게 접할 수 있기에 눈치채지 못하는 경우가 많지만, 전자제품 분야의 발전을 가로막는 거대한 벽으로 작용하고 있다. 물론 전지 기술 자체도 발전하고 있는 건 사실이지만, 지난 200년간의 전기전자 기술 발달사 중 가장 발전이 더딘 분야가 바로 전지 분야이다. 당장 스마트폰이나 전기차를 봐도 알 수 있듯, 다른 기술의 발전 속도를 전혀 따라가지 못하고 있다. 컴퓨터가 에니악에서 현재의 멀티코어 프로세서로 진화하고 휴대전화가 기존의 아령보다 무겁던 벽돌형 무전기에서 지금의 스마트폰으로 눈부시게 발전할 동안 자동차는 먼 옛날이나 지금이나 무겁고 출력도 약한 납 축전지를 사용하며, 납 축전지는 150년 전에 개발된 이래 기술적으로 달라진 것도 별로 없다. 그나마 스마트폰 전원이 리튬 전지로 바뀐 것이 진보라면 진보기는 한데 그것도 사실 현대인들의 눈높이에는 턱도 없는 수준. 그래도 최근에는 휘어지는 분리막 배터리가 개발됨에 따라 배터리의 활용도가 올라갈 것으로 전망된다.
이 외에도 강화복, 이동형 로봇이나 휴대용 레일건과 코일건, 전기자동차 등 각종 미래 기술이 아직까지 대중화되지 못하고 있는 가장 큰 이유도 배터리의 문제가 가장 크다. 다른 부분들은 대부분 현재의 기술로 어떻게든 구현이 가능할 정도가 된 상황이지만, 무게도 무겁거니와 충전도 힘들고 오래 걸리는 이 배터리라는 녀석의 물리적인 한계는 현재 우리의 기술로는 어떻게 하기가 힘들기 때문이다. 게다가 새로운 배터리 소재라고 해서 쓰이고 있는 리튬이나 코발트 등의 소재들은 부존량도 매우 적고 그마저도 편재되어 있다 보니 전기자동차 등의 상용화에 따라 가격이 폭등하고 있는 것도 문제다. 리튬 같은 경우 2017년 기준으로 지난 3년간 가격이 무려 400%나 폭등했다고 한다. 그래서 지금도 전세계의 기업과 연구소에서 배터리 기술의 혁신을 위해 노력 중이지만 아직은 여러모로 요원한 상황이다.[2] 현시대 인류는 전기전자 기술을 중심으로 문명 발전을 하고 있는 상태라서 결국 전지 기술이 사실상 모든 문명 발전의 한계선을 긋고 있는 셈이다. 즉, 전지 기술이 조금이라도 더 발전한다면 인류 전체 문명은 거대한 발전을 하게 된다. 2차 전지가 발달하면서 태어난 스마트폰을 생각해 보자. 스마트폰을 1.5V 알카라인 건전지로 쓴다고 생각하면 끔찍할 것이다.
모든 전지는 공통으로 추운 곳에선 맥을 못 추지만 차이는 조금씩 있다. 이차전지보단 일차전지가 조금 더 잘 버티는 편이고 리튬이온보단 납축전지가 조금 더 잘 버틴다. 아이폰 6 같은 경우는 혹한에 노출되면 '''수십 초''' 이내로 배터리가 바닥난다. 이는 추운 날씨 속에서 전지 속의 입자들이 쪼그라들어 부피가 줄어들기 때문에 발생하는 것으로 다시 따뜻하게 해주면 입자들이 정상 크기로 불어나기 때문에 사용할 수 있다. 이 역시도 전지의 발전이 필요한 부분. 그런데 저온에서 성능이 저하된다고 단순히 발열이 잘 되게 바꾸면 스로틀링이 걸려 칩셋 처리 성능이 저하될뿐더러 심하면 배터리 자체가 '''터진다.''' 참 어려운 분야가 아닐 수 없다...
배터리는 대부분 내부에 부식성 물질이나 발화성 물질이 들어있기 때문에 가끔식 '''폭발'''한다는 문제도 무시할 순 없다. 대중적으로 쓰이는 리튬배터리는 높은 방전률과 높은 에너지 밀도를 가지고있다는 장점이 있지만 그와 동시에 폭발 위험이 가장 높은 전지이기도 하다. 유명한 사례로는 과거 보잉 787[3], 갤럭시 노트7이 배터리 폭발 문제가 있었다. 다만 배터리 생산 공정에서 문제가 생기거나 배터리의 파손, 너무 높은 부하가 걸리지 않는 이상 폭발할 일은 없다.

3. 전기화학 전지

화학 전공자들에게 전지라고 하면 볼타 전지(갈바니 전지)와 전해 전지를 떠올린다. 반응이 자발적이냐 아니면 전압을 걸어줘야 진행되는가의 차이. 볼타 전지가 자발적인 쪽이다. 하지만 화학자들의 주된 관심사는 전해 전지. 이쪽은 이온화 경향의 차이에 따른 전위차보다 더 큰 역전위를 걸어줘야 전자가 이동하는데, 이걸 응용해서 도금도 하고 센서도 만들고 여러 가지로 지지고 볶는다.
전지는 작대기를 그어서 표현하는데, 산화 전극이 대개는 왼쪽에 온다. 기준 전극이 있을 경우 기준 전극이 무조건 왼쪽. 즉, 볼타 전지의 (-)극과 전해 전지의 (+)극이 왼쪽에 오게 적으면 된다. 작대기 하나는 전극과 용액의 접촉면이고, 작대기 두 개는 용액간의 접촉이 직접적이지 않음을 뜻한다. 수능 수준까지는 간단하게 작대기 두 개는 염다리라고 이해해도 좋다. 예를 들어 Ag/AgCl(염화은)과 Pt를 이용한 간단한 pH 미터를 표기법에 맞게 나타내면 이렇게 된다.
Ag|AgCl(s)|HCl, H2(g)|Pt
실험실에서 실제로 쓰는 pH 미터는 주로 포화 KCl(염화칼륨)을 이용하는데 당연히 이것보다는 복잡하다.

4. 여담

차량 배터리가 방전됐을 경우, 수돗물을 채워넣어도 충전이 되는 기이한 광경을 볼 수 있다. 배터리가 전기를 발생시키는게 액체의 불순물의 접촉으로 인해 전기가 발생한다는 걸 생각해보면, 불순물이 한가득한 수돗물을 채워넣어도 전기가 발생하는 이론이 세워지고, 실제로 발생한다.

5. 관련 문서



[1] Batterie라는 독일어에서 차용되었다는 설도 있지만 어렴풋한 이야기다. 본문에도 예시를 들었지만 일제강점기를 살아오신 어르신들이 구사하는 외래어는 대부분 일본식 발음이다. 당연한 이야기지만 일본에서는 지금도 '밧데리'라고 발음한다. 여담으로 이런 전지를 가리키는 핀란드어 단어로 "patteri"(빳떼리)가 있다. 요새는 "paristo"가 권장되지만 간간히 "patteri"가 사용된다고 한다. 예전에 핀란드어에서 외래어를 음차하던 방식에서 비롯된 참사(?).[2] 리튬의 바로 다음 주기이며 리튬과는 비교가 안 될 만큼 흔한(그래서 효율성을 높이기 쉬운) 나트륨 전지가 대체재로 연구되고 있다. 소듐 이온 전지라고도 한다. 생각보다 발상이 오래되어서, 해저 2만리의 노틸러스호의 전기공급 역시 바닷물의 나트륨을 사용해 공급된다는 설정이다.[3] 대부분의 항공기 배터리는 니켈카드뮴 배터리를 이용하지만 보잉 787은 리튬이온 배터리를 이용했던 것이 화근.

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