전기 사용의 3박자 원리

이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수 / 기사승인 : 2021-06-01 00:00:52
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생활 속의 자연과학
▲ 리튬이온배터리의 4대 요소. 출처: 삼성SDI

 

존 구디너프(John Goodenough), 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham), 요시노 아키라(吉野彰)는 2019년 노벨 화학상을 공동 수상했다. 그들의 공로는 초기 리튬이온배터리 개발에 핵심적인 기여를 했다는 것. 리튬이온배터리가 무엇이기에 노벨상을 수상한 것일까? 


리튬이온배터리는 2차 전지다. 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차 전지라고 하는데 일상에서 만나는 건전지가 대표적인 1차 전지다. 2차 전지는 충전을 통해 재사용이 가능한 전지. 2차 전지는 단순히 보면 양극(+), 음극(-), 전해액, 분리막으로 구성된다. 양극과 음극은 도선으로 연결돼 있으나 분리막에 의해 분리돼 있으며 양쪽 모두 전해액에 잠겨 있는 구조다. 


양극을 구성하는 물질은 전자 방출과 함께 전해액에 녹으며 이온화돼 음극으로 이동하는데 방출된 전자는 도선을 통해 음극으로 이동한다. 양극 물질의 이온화 정도에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 양극의 이런 움직임이 바로 배터리 충전의 원리다. 음극은 도선을 통해 전달받은 전자를 내부에 축적하는 동시에 양극의 이온을 흡수한다. 전해액은 양극에서 나온 이온만을 음극으로 전달하는 이동통로 역할을 한다. 분리막은 말 그대로 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하기 위한 분리막이며, 내부 미세한 구멍을 통해 양극에서 나온 이온이 통과해 음극으로 이동할 수 있다. 


양극에서 음극으로 이동한 이온이 반대로 음극에서 양극으로 이동하는 현상이 방전(전기사용)이다. 리튬이온배터리는 양극 물질로 리튬산화물을 사용해 전해액에 녹은 리튬이온이 충전 시에는 양극에서 음극으로, 방전 시에는 음극에서 양극으로 이동하는 2차 전지다. 


리튬이온배터리의 특징은 에너지 밀도가 높고, 기억효과가 없으며, 사용하지 않을 때도 자가방전의 정도가 미미하다는 것이다. 쉽게 이야기하면 작게 만들어도 많은 전하를 저장할 수 있고, 충전을 여러 번 해도 성능이 저하되지 않으며, 사용하지 않아도 큰 변화가 없다는 것이다. 슬림한 스마트폰이 가능한 이유는 보다 얇은 형태로 만들어도 충분한 사용시간을 제공해 주는 리튬이온배터리 덕분이다.


하지만 리튬이온배터리의 충전시간은 어떨까? 충전시간은 사용하는 배터리의 용량이 클수록 길어지고, 사용하는 충전시스템이 고효율일수록 짧아진다. 동일한 배터리를 사용할 때 어떤 충전시스템을 사용하는가에 따라 충전시간이 달라지는 것이다. 


충전시스템은 크게 송신, 전달, 수신의 3가지 요소로 구성된다. 스마트폰을 예로 들어보자. 스마트폰의 충전시스템에서 송신은 충전기, 전달은 충전기와 스마트폰을 연결하는 케이블, 수신은 스마트폰의 충전회로이며, 충전회로 끝에 리튬이온배터리가 연결돼 있다. 마치 3개의 파이프가 연결돼 상류의 물이 하류까지 흐르는 모양새다. 여기서 물이 원하는 만큼 흐르기 위해서는 파이프의 두께가 일정하거나 갈수록 커지는 형태가 돼야 할 것이다. 


충전시스템에서도 동일한 원리가 적용된다. 단순히 예를 들어보면 충전기에서 2A의 전류를 흘려도 케이블의 용량이 1A라면 스마트폰에는 1A의 전류가 전달된다는 것이다. 하지만 스마트폰의 충전회로가 1A의 용량을 갖고 있다면 충전기와 케이블 모두 2A이어도 충전에는 1A가 적용된다. 결국 3박자가 맞아야 한다는 것. 


최근 시중에 3A 고속충전기가 출시돼 인기를 얻고 있다. 고속충전기를 사용하는 이유는 스마트폰의 긴 충전시간을 줄이기 위한 방안일 것인데 이것이 제대로 효용을 내기 위해서는 케이블과 충전회로가 동일한 용량을 소화할 수 있는 것이어야 한다.


충전에 적용된 3박자 원리는 전기(전하)를 사용하는 모든 곳에 적용되는 기본원리다. 에어컨, 히터 같은 큰 전기를 사용하는 경우든 스마트폰, 충전랜턴처럼 작은 전기를 사용하는 경우든 상관없이 동일하게 적용된다. 따라서 전기를 사용할 때에는 항상 이 3박자가 하모니를 잘 이루고 있는지 확인하는 것이 안전과 효율을 위해 중요하다.


이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수

 

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