현대 사회에서 배터리 기술은 우리 삶의 모든 영역에 스며들어 있습니다. 90년대 벽돌폰 시절 몇 시간도 버티지 못하던 배터리가 이제는 하루 종일 사용 가능한 수준으로 발전했습니다. 이러한 혁신의 중심에는 리튬이라는 가벼운 금속이 자리하고 있으며, 리튬 이온 배터리는 스마트폰부터 전기차까지 거의 모든 전자기기의 동력원이 되었습니다. 하지만 기술적 진보와 함께 안전성 문제도 대두되고 있으며, 차세대 배터리 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
리튬 배터리와 열폭주 안전성 문제
리튬이 배터리 소재로 각광받는 이유는 명확합니다. 주기율표에서 3번 원소인 리튬은 수소와 헬륨 다음으로 가벼운 원소로, 모든 금속 중 가장 가벼운 특성을 지니고 있습니다. 심지어 물에도 뜰 정도로 경량화에 최적화되어 있습니다. 또한 리튬은 전자를 쉽게 던져주는 반응성이 매우 좋은 물질로, 이는 화학반응을 통해 전기를 효율적으로 생성할 수 있다는 의미입니다. 이러한 특성 덕분에 휘팅엄, 구디너프, 요시노 아키라 등 과학자들이 리튬 이온 배터리를 개발하여 노벨상을 수상했으며, 현대 기술 문명의 소형화와 이동성 혁신을 이끌어냈습니다.
그러나 리튬 배터리의 안전성 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다. 전기차 화재 사건에서 볼 수 있듯이, 배터리 내부의 분리막이 찢어지거나 손상되면 플러스와 마이너스 극이 쇼트되면서 열폭주 현상이 발생합니다. 이 과정에서 내부 유기물이 연소하며 온도가 급격히 상승하고, 리튬의 특성상 물을 뿌리면 오히려 수소 기체를 발생시켜 폭발 위험이 더욱 커집니다. 현장에서는 배터리가 완전히 연소될 때까지 물을 계속 뿌릴 수밖에 없는 상황이 벌어집니다. 이론적으로는 만 번 이상 충전이 가능해야 하지만, 실제로는 2~3년이면 배터리 성능이 저하되는 이유도 올해 연구 결과에서 밝혀진 바와 같이 내부에서 생성되는 산성 물질과 불순물 때문입니다.
전기차 배터리 화재는 대부분 배터리 문제에서 기인하며, 현재는 과도기적 단계에 있다고 볼 수 있습니다. 어떠한 기술이든 시간이 지나면서 발전하고 안정화되거나 도태되기 마련입니다. 리튬 배터리는 이미 다양한 전자제품에서 검증된 기술이지만, 전기차처럼 대용량으로 사용될 때는 안정성 확보에 더욱 집중해야 합니다. 소비자들의 불안감을 해소하는 것이 전기차 시장의 활성화를 위한 핵심 과제입니다.
전고체 배터리의 혁신적 가능성
리튬 배터리의 안전성 문제를 근본적으로 해결하기 위한 대안으로 전고체 배터리가 주목받고 있습니다. 전고체 배터리는 이름 그대로 전부 고체로 구성된 배터리를 의미합니다. 기존 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하고 양극과 음극 사이에 분리막을 두는 구조였다면, 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하여 분리막 자체가 필요 없는 구조입니다.
이러한 구조적 차이는 안전성 측면에서 혁명적인 변화를 가져옵니다. 고체 상태로 딱 막혀 있기 때문에 양극제와 음극제가 직접 접촉할 가능성이 원천적으로 차단됩니다. 분리막이 찢어져서 발생하는 쇼트 현상과 열폭주 위험이 크게 감소하는 것입니다. 또한 액체 전해질이 연소되면서 화재가 확대되는 메커니즘 자체가 존재하지 않아 본질적으로 더욱 안전한 배터리 기술이라 할 수 있습니다.
전고체 배터리는 안전성뿐만 아니라 에너지 밀도와 충전 속도 측면에서도 기존 리튬 이온 배터리를 능가할 잠재력을 가지고 있습니다. 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 전압을 구현할 수 있고, 이는 같은 크기에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미입니다. 전기차에 적용될 경우 주행거리가 대폭 늘어나고 충전 시간은 단축되는 효과를 기대할 수 있습니다. 현재 전고체 배터리는 상용화를 앞두고 연구 개발이 활발히 진행 중이며, 배터리 안정화에 대한 사회적 요구와 맞물려 빠르게 발전하고 있습니다. 기술적 완성도가 높아지고 대량 생산 체계가 구축된다면, 전기차 시장에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 전망됩니다.
핵전지와 미래 에너지 저장 기술
리튬을 넘어선 차세대 에너지 저장 기술로 핵전지가 주목받고 있습니다. 핵전지는 방사성 원소의 자연적인 붕괴 과정에서 발생하는 열 에너지를 전기로 변환하는 장치입니다. 적당히 불안정한 방사성 원소가 수백 년에 걸쳐 서서히 붕괴하면서 지속적으로 열을 방출하고, 이 열과 차가운 부분의 온도 차이를 이용해 열전 효과로 전기를 생성합니다. 핵전지의 가장 큰 장점은 구동 부품이 전혀 없다는 점입니다. 가만히 놔두기만 하면 되기 때문에 마모나 고장이 발생하지 않으며, 한 번 장착하면 50년에서 100년까지 충전 없이 사용할 수 있습니다.
실제로 핵전지는 이미 우주 탐사 분야에서 활발히 사용되고 있습니다. 보이저 1호, 보이저 2호, 카시니 탐사선, 그리고 화성 탐사 로버인 퍼서비어런스에도 핵전지가 탑재되어 있습니다. 우주 공간에서는 태양 광 발전이 불가능하거나 비효율적인 환경이 많고, 일반 배터리로는 장기 임무를 수행할 수 없기 때문입니다. 보이저 탐사선처럼 태양에서 멀리 떨어진 곳으로 가는 경우 태양 빛 자체가 거의 없기 때문에 핵전지가 유일한 대안이 됩니다.
핵전지에 대한 우려는 주로 안전성에 집중되어 있습니다. 하지만 핵전지는 핵분열 연쇄 반응을 이용하는 것이 아니라 단순히 방사성 원소가 혼자서 자연적으로 붕괴하는 과정을 활용하기 때문에 폭발 위험은 거의 없습니다. 다만 붕괴 과정에서 감마선이나 베타선 같은 방사선이 방출될 수 있어 적절한 차폐가 필요합니다. 우주에서는 인간이 없고 방사선 환경 자체가 가혹하기 때문에 문제가 되지 않지만, 일상생활에 적용하기 위해서는 안전한 차폐 기술과 소형화가 필수적입니다. 현재 연구되고 있는 일상용 핵전지는 50년간 충전 없이 사용 가능한 것을 목표로 하고 있으며, 노트북이나 스마트폰에 적용될 경우 혁명적인 변화를 가져올 것입니다.
마찰 전기 발전과 같은 새로운 개념의 에너지 하베스팅 기술도 연구되고 있습니다. 마찰이나 정전기를 모아 전기로 변환하는 기술로, 신발 바닥이나 옷감 같은 일상적인 소재에 적용하여 걷거나 움직이는 동작 자체로 전기를 생성하는 방식입니다. 헬스클럽 런닝머신에서 운동하며 소비한 에너지를 전기로 저장하는 시스템도 구상되고 있습니다. 이는 자동차의 하이브리드 시스템처럼 기존에 열 에너지로 방출되던 것을 전기로 회수하는 개념입니다. 적어도 핸드폰을 완충할 수 있는 수준의 에너지는 충분히 생성 가능하다는 연구 결과가 나오고 있어, 미래에는 우리 몸의 움직임 자체가 에너지원이 될 수 있습니다.
배터리 기술은 단순한 전력 저장을 넘어 우리 삶의 방식 자체를 변화시키고 있습니다. 리튬 배터리의 안전성 문제를 해결하기 위한 전고체 배터리 연구, 그리고 핵전지와 마찰 전기 발전 같은 혁신적 기술들은 모두 더 안전하고 지속 가능한 에너지 미래를 향한 과정입니다. 현재는 과도기적 단계이지만, 기술의 안정화와 함께 소비자의 신뢰를 회복한다면 전기차를 비롯한 전기 기반 사회는 더욱 빠르게 확산될 것입니다. 배터리 기술의 진화는 곧 인류 문명의 진화와 맞닿아 있습니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://youtu.be/gev_gqeBpTw?si=5CRjWEVRy26lP3gA