이차 전지

二次電池
secondary cell

1 개요

축전지(storage battery), 충전지(rechargeable battery, 충전식 전지) 혹은 빳떼리 박대리 배터리라고 부르는, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용 할 수 있게 만든 전지.

이차전지란 이름은 전지를 두번 쓸 수 있다가 아니라(...) 1차전지(소재만 연결하면 참 쉽게 전지가 되는 것)가 있어야 그것으로 충전시켜 두번째차에 전지를 만들 수 있었기 때문에 2차란 이름이 붙었다. 발전기가 발명되어 전지로 전지를 충전하는 뻘짓은 이젠 안하게 되었지만 보조 배터리: 네?, 조립만 하면 간단히 만드는 전지(1차)와 충방전 반복하여 재사용 가능한 전지(2차)란 용도로 적절하게 사용되어져왔다.

일반적으로 재사용이 불가능한[1] 일차 전지보다 경제적이고 환경 친화적이다. 우리 주변의 흔한 AA 또는 AAA 건전지로 비교해보면, 충전지가 1회용 건전지보다 가격은 몇 배~몇십 배까지 비싸지만 제품에 따라서는 500~2100회까지 재사용을 보장한다.

2 소재

주로 쓰이는 이차 전지는 자동차의 납 축전지(lead-acid accumulator), 워크맨의 니켈카드뮴 전지(NiCd), 니켈수소 전지(NiMH), 휴대전화, 스마트폰의 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer), 리튬인산철 전지(LiFePO4) 등이 있다.

2.1 납 축전지

납 축전지의 경우에는 주로 자동차 배터리에 사용되고 있다. 교통사고가 나도 터지지 않지만, 중금속과 강산을 사용하여 인체에 해로우며, 무엇보다도 무겁다. 특성상 일반적으로 말하는 충전지와는 좀 거리가 있는 편이라 자세한 설명은 생략한다.

2.2 니켈 충전지

니켈카드뮴 전지는 일상생활에서 접할 수 있는 2차 전지의 주류를 차지한 적이 있었으나 지금은 저용량에 환경문제 때문에 건전지를 대체할 수 있는 AA, AAA 사이즈급에서는 거의 사장된 상태[2]이며 UPS나 일부 실내 무선전화기에나 쓰이는 정도다. 니켈수소전지는 2000년대 초중반에 잠깐 인기를 누린 적 있었다. 기존의 니켈카드뮴 전지에 비해 고용량이었기 때문. 당시에 보급되던 컴팩트형 디지털 카메라(이른바 똑딱이)의 대부분이 전용 리튬전지가 아닌 일반 전지로 구동되었기에 니켈수소 전지가 주목받았던 점이 있었다. 2013년 현재 니켈수소 전지는 전성기때만은 못하지만 아직도 꾸준한 수요가 있어서 계속 발매되고 있다.

물론 세방전지나 이런 쪽에서는 AA 니카드 전지가 나오곤 있는데, 이는 일반 유저를 겨냥한 제품은 절대 아니다. 1/5 에 불과한 초 저용량의 전지를 쓰고자 하는 사람이 얼마나 있겠는가. 하지만 니카드 전지의 가장 큰 특징은 전지의 미칠 듯한 안정성과 상당히 높은 방전률에 기인한다. 니켈-수소 전지에 비해 델타피크가 깔끔하게 뜨고, 그 이후 전류가 흐르지 않아 충전회로가 간단한 것은 많은 비상조명 시장에서의 선택으로 증명되었고, -30℃의 혹한에서도 제 용량을 보이며 고율방전이 가능한 점은 전문 사용자 입장에서는 매우 높은 이점을 가지고 있다. 그 덕에 지금 나오는 니카드 전지는 과거 방식에 현제의 첨단 기술이 들어간 형태로, 가격이 니켈 수소랑 비슷하다보니 아는 사람이 아니면 안사가는 현상이 발생하고 있다. [3]

2.3 리튬 충전지

기술의 발달과 리튬이라는 높은 에너지 밀도를 자랑하는 소재의 활용으로 특히 발달한 것이 이 충전지 분야이다. 기존의 NiCd나 NiMH보다 큰 전류를 필요로 하는 휴대기기의 경우 리튬 전지가 적극적으로 사용되고 있으며 공용규격으로는 CR123의 충전판인 RCR123[4]이나 18650이 있다.

3 규격

참고로 숫자이름 충전지는 그 충전지의 크기를 표기하고 있다. 가령 18650의 경우에는 '18mm 두께에 65mm 길이'라는 뜻. 다만 이런 원통형 리튬이온 충전지 중 보호회로를 내장하고 있는것들은 보호회로의 2~3mm 길이가 더해져서 실제 길이는 표기된 수치보다 조금 더 길고 두께도 아주 약간 더 굵다. 이 때문에 타이트한 손전등에 넣어보면 약간 걱정될 정도로 빽빽하게 들어차는것을 볼수 있다.

  • AAA 사이즈
    • 에네루프AAA - 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 600~1000mAh
    • KENTLI PH7 - 리튬폴리머 기반, 전압 1.5V[5]. 전용 커넥터 사용시 3.7V 출력 가능. 용량 740mAh(3.7볼트 기준으로 300mAh)
    • 10440 - 리튬이온 기반. 전압 3.7V. 용량 350mAh[6]
  • AA 사이즈
    • 에네루프AA - 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 1000~2550mAh
    • KENTLI PH5 - 리튬폴리머 기반, 전압 1.5V. 전용 커넥터 사용시 3.7V 출력 가능. 용량 1875mAh(3.7볼트 기준으로 760mAh)
    • 14500 - 리튬이온 기반. 전압 3.7V. 용량 800~900mAh
  • A 사이즈
    • A - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 1400mAh
      　 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 2100~4100mAh
  • CR2 사이즈
    • RCR2 - 리튬이온 기반. 전압 3V. 용량 200~300mAh
  • CR123A 사이즈
    • RCR123A - 리튬이온 기반. 전압 3V. 용량 750~900mAh
    • 16340 - 리튬이온 기반. 전압 3.7V. 용량 800mAh
  • 18650 사이즈
    • 18650 - 리튬이온 기반. 전압 3.7V. 용량 1650~3400mAh
      　 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 4100mAh
  • C 사이즈
    • 에네루프C - 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 3200mAh
    • C - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 1200~3000mAh
      　 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 2800~4000mAh
  • D 사이즈
    • 에네루프D - 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 6000mAh
    • D - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 2500~5500mAh
      　 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 7000~10000mAh
    • 33600 - 리튬이온 기반. 전압 3.7V. 용량 6000mAh
  • F 사이즈
    • F - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 7000~8000mAh
      　 니켈수소 기반. 전압 1.2V. 용량 13000mAh

4 발전사

세계적으로 이차전지 기술은 일본이 넘사벽의 본좌급 수준으로 군림하고 있었다. 신소재와 부품 분야에 있어서 일본이 원천 기술과 지적 재산권을 상당수 보유해 전 세계 시장을 지배하고 있는 실정이었다.

한국의 경우 2000년대 초반까지만 하더라도 이차전지 기술이 빈약하였기 때문에 국내 전자회사들은 일본 업체에서 이차전지 완성품을 수입하여 제품에 이식시키는 정도였다.[7] 2000년경부터 삼성SDI와 LG화학등의 한국 업체들의 이차전지 제조 기술개발을 통한 자체 생산을 시작하였고 2000년 초부터 이차전지 세계 시장 점유율에서 2위를 차지하기 시작하였고 2010년 삼성SDI가 2차전지 세계시장 점유율 1위를 차지했고 2011년 한국기업이 시장 점유율 40%를 차지하며 1위를 차지 했고 2012년에도 한국 기업의 점유율은 43.4% 대 일본은 30.9%로 약진하고 있다. 2012년 11월에는 이차 전지 세계 점유율 4위인 소니가 이차 전지 사업의 매각을 검토하고 있다. 점유율 1위가 삼성SDI, 2위가 파나소닉, 3위 LG화학 순으로 일본 기업들이 빠르게 쇠락하고 있다.

파일:Attachment/vehicle battery 20132014.jpg
파일:Attachment/Rechargeable Battery.jpg

다만 문제는 양/음극재, 분리막, 전해질 등의 이차전지에 들어가는 핵심 부품 및 소재 국산화율과 기초기반 기술. 특히 핵심기술력은 2012년 말에도 딜러로부터 객관적으로 일본보다 한수아래라는 평[8]을 받기도 해서 과제가 시급한 것으로 보인다. 물론 한국기업들도 이에 집중하여 소재 국산화 및 기술 개발에 주력하고 있다.[9] 2011년 기준 국산화비율은 양극재 56.9%, 분리막 37.8%, 전해액 76.2%에 달한다. 다만 음극재는 2012년에와서야 국산화하여 공급이 시작되어 2% 남짓에 불과하며 생산설비의 국산화 비율도 20% 수준으로 취약하다. 긍정적인 부분은 국산화율이 지속적으로 상승하고 있고 대기업들의 소재산업에 지속적인 대규모 투자를 하고 있다. 2012년에는 리튬이온전지 핵심소재(양극재, 음극재, 전해액, 분리막) 시장에서 20.6%를 돌파하여 지속적인 점유율 상승을 보이고 있다. 자동차용 이차전지 시장을 위해 각 회사들은 자동차 회사들과도 연합을 꾸리고 있다. 대표적으로 LG화학은 GM, 포드, 현대기아차의 수주를 얻고 삼성SDI는 BMW와 크라이슬러, 보쉬는 GS유아사와 연합하는 중이다.

이러한 완성품 시장 점유율을 잃고 소재, 부품에서도 야금야금 갉아 먹히는 과정은 메모리 반도체, 디스플레이 산업에서 일본 기업이 한국기업에 밀려났던 테크의 재현이라 일본 기업은 충격과 공포로 받아들이고 있다. 당장의 기술력이 아무리 우위라도 점유율을 뺏겨버리면 결국 장기적으로 산업자체를 유지할 수 없게 되기 때문. 시마사장에서 이차 전지 관련 내용을 보면 한국기업의 추격에 대한 일본 기업의 공포를 엿볼 수 있다. 소니마저 전지 사업을 매각하면 파나소닉이 세계 시장 점유율 상위권(2위)에 홀로 남지만 본사가 풍전등화. 노숙자 시마

다만 한국 기업이 무조건 낙관 할 수만은 없는 것은 앞으로 주목받을 중대형 이차 전지 분야에 있어 중국과 우리의 격차가 크지 않고 일부 자동차 분야에 있어선 앞서 있다는 전망이다. 중국은 이차전지에 필요한 희유금속을 포함한 원자재가 풍부할 뿐만 아니라 저렴한 인건비와 거대한 시장을 갖고 있어 대단한 잠재력을 갖고 있다. 우리나라에서 이차전지의 원천 기술 확보를 위한 특단의 조치를 취하지 않는다면 앞으로 우리나라를 치고 올라올 가능성이 크다.

5 관리

가끔 인터넷 커뮤니티에서 휴대폰이나 노트북 등의 배터리 관리를 위해 완전 충전-완전 방전(완충완방)을 주기적으로 해 줘야 한다는 글을 볼 수 있는데, 이는 틀린 말이다. 니켈카드뮴 전지나 니켈수소 전지는 기억 효과를 방지하기 위해 그런 식으로 관리할 필요가 있으나, 휴대폰이나 노트북에 사용되는 리튬 이온 전지와 리튬 이온 폴리머 전지는 기억 효과가 없기 때문에 완충완방을 할 필요가 없다. 해서도 안 된다. 어차피 과충전과 과방전을 방지하기 위한 보호 회로가 작동하기 때문에 일부러 완충완방을 하는 것은 불가능하며, 잔량이 적은 상태로 방치되어 자연 방전을 통해 완전히 방전되는 것만이 가능하다. 그리고 그렇게 되면 고장난다.

보호 회로가 전지의 잔량을 제대로 읽어 들이지 못하는 경우가 있어 실제 용량이 줄어든 것이 아닌데 그렇게 표시되는 경우가 있다. 대개 관리 없이 장기 보관된 전지에서 일어나는 현상이다. 이것은 일시적인 현상으로, 기기가 전력 부족으로 스스로 꺼질 때까지 충전하지 않고 쓰는 일을 두어 번 정도 반복하면 정상으로 돌아온다. 단, 이것이 두어 번 안에 복구되지 않는다면 그 전지는 이미 수명을 다한 것이다. 전지는 엄연한 소모품이며 주기적으로 교체해야 한다는 사실을 잊으면 안 된다.

리튬 계열 충전지를 오래 쓰고 싶다면, 방전이 곧 열화를 의미하지만 그렇다고 잔량이 없는 상태로 방치하면 셀에 돌이킬 수 없는 타격을 입는 리튬 전지의 특성을 이해해야 한다. 즉, 배터리 소모를 최대한 자제하면서 잔량이 떨어지도록 방치해서는 안 된다는 것. 가장 손쉬운 방법은 그냥 충전기에 연결한 상태로 두는 것이다. 다만, 과충전 방지 회로가 오동작할 경우 과방전만큼이나 바람직하지 않으므로 보통 분리해서 냉암소에 보관하되 주기적으로 충전하는 것을 권장한다. 50~80% 정도의 충전량을 늘 유지하는 것이 가장 이상적이라고 알려져 있다.

또한, 충전 시 정전압/정전류를 안정적으로 유지할 수 있는 검증된 충전기를 사용하는 것이 바람직하다. 질이 나쁜 충전기는 안정적인 전류를 공급하지 못해 셀에 악영향을 끼칠 수 있고, 심한 경우 전지가 부풀어 오르거나 폭발을 일으킬 수도 있다.

일반적으로 쓰이는 리튬이온 전지는 500~1000회 정도의 충방전이 가능하지만 제조 이후 사용하지 않아도 열화가 진행되어 내구 연한은 2년 정도로 본다. 그러나 전자제품이 늘 그렇듯 복불복인 면이 있어서, 1년도 안 되어 완전히 망가지는 경우가 있는가 하면 5년을 넘게 사용했는데도 7~80% 대의 용량이 계속 유지되는 불가사의한 경우[10]도 있다.

참고로 디카나 캠코더, 혹은 노트북 컴퓨터의 정품 배터리팩 가격이 너무 비싸 자체적으로 셀을 묶어 만든 비정품/재생/자작 배터리팩을 사용하는 경우가 있는데, 그런 배터리팩들은 정품이 단종되었을 때나 사용하는 최후의 수단[11]이다. 최악의 경우 전지뿐만이 아니라 기기에도 손상을 입힐 수 있기 때문에 단순히 가격 문제로 그런 배터리팩을 선택하는 일은 피해야 한다.

6 관런 항목

  1. ↑ 일차 전지에 무리하게 충전을 시도할 경우 폭발할 가능성도 있으니 주의.
  2. ↑ 2013년 현재 옥션 등지에 올라온 AA, AAA 사이즈의 니켈카드뮴 전지는 드문 상태다.
  3. ↑ 물론 그래도 전국적인 수요를 보면 나름 스테디 셀러.
  4. ↑ 충전 가능해진 버젼이라지만 전압 델타값이 높아 CR123 대용으로 사용했다간 기기에 무리가 갈 수 있다.
  5. ↑ 3.7V 셀에 레귤레이터를 장착. 방전 곡선이 끝내주게 아름답다. 일반적인 기기에서는 잔량 체크가 완전히 불가능할 정도.
  6. ↑ 600mAh라고 광고하는 제품도 보이는데 실제로는 다 구라고 350mAh조차 안되는 경우가 많다. 10440은 제대로 생산하는 곳이 없고 죄다 군소 회사들이 난립해서 개판으로 만든것들이기 때문에 이렇다. 애초에 AAA 사이즈의 배터리로 리튬이온을 쓸일이 별로 없다보니 산요같은 유명 메이커에선 10440을 만들지 않는다.
  7. ↑ 2000년대 중반 이전에 생산된 오래된 국산 휴대폰이나 카세트 플레이어를 가진 이들은 한 번 꺼내서 배터리에 적혀있는 제조정보를 확인해 보자. 열이면 열개 모두 MADE IN JAPAN(일본산 완제품) 아니면 Cell Made in Japan, Finished in Korea(전지 자체만 일본에서 수입하고 보호회로 등을 붙여 완제품으로 만드는 것만 국내에서 한)으로 적혀 있을 것이다. 이후에는 Made in Korea, 그다음에는 Cell Made in Korea, Finished in China 더니 요즘에는 Made in China다. 빨리도 따라잡힌다...
  8. ↑ 전기 자동차용 이차 전지 방면은 한국회사들이 주요기술에서 크게 밀린다.
  9. ↑ 당연하지만 기업에서는 고가의 소재를 수입하는 것보다 자체 생산하는게 이익이 많으므로 국산화에 노력한다.
  10. ↑ 전력을 적게 쓰면서 전원을 잘 끄지 않고 끊임없이 충전하며 사용하는 기기에서 이런 경우가 많다. 본의 아니게 최적의 관리가 이루어지는 환경이기 때문일 가능성이 높다. 가장 흔한 사례가 어르신들이 쓰시는 구형 폴더폰이다. 지금도 멀쩡히 돌아가는 폴더폰의 뚜껑을 열어 보면 배터리 제조 일자가 2009, 2010년인 경우를 쉽게 볼 수 있다.
  11. ↑ 사실, 특정 기기가 정품 배터리팩을 구할 수 없을 정도로 오래되었으면 제조사의 지원은 이미 옛날에 끝났다. 그런 기기를 지속적으로 유지 관리하는 일은 일반 소비자 입장에서 쉬운 일이 아니므로 그냥 포기하고 새 기기를 구입하는 것이 나을 수도 있다.
  12. ↑ 블랙모터와 함께 미니카 좀 만진다는 아이들은 어지간하면 거의 가지고 있었다. 특히 골드블랙모터+고출력 충전지는 환상의 조합을 자랑했다.