폴리머 인사이트 #12. 지금부터 리튬이온전지 시대? 꾸준히 성장하는 납축전지 시장!
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화학이야기

폴리머 인사이트 #12. 지금부터 리튬이온전지 시대? 꾸준히 성장하는 납축전지 시장!

2019년 1월 4일

 지금부터 리튬이온전지 시대? 꾸준히 성장하는 납축전지 시장!

전자제품의 필수, 배터리! 그 시작은?

배터리가 없는 우리 생활은 상상할 수 없습니다. 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 자동차 등 현대인의 필수 아이템에는 전부 배터리가 쓰입니다. 전지라고도 불리는 배터리는 언제부터 우리 삶을 바꾸기 시작했을까요? 배터리의 시작은 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)에서 찾을 수 있습니다. 볼타는 갈바니(Galvani)가 주장한 ‘동물 전기’에 의문을 가지고 연구를 시작하게 됩니다. 그렇다면 갈바니가 주장한 ‘동물 전기’는 무엇일까요?

1780년, 개구리 다리가 금속에 닿아서 경련을 일으키는 모습을 목격한 갈바니는 이를 바탕으로 여러 번 실험을 거듭합니다. 그 결과 갈바니는 개구리 자체에서 만들어진 전기 때문에 경련이 일어났다고 생각합니다. 그리고 이 전기를 ‘동물 전기’라 부릅니다. 하지만 볼타는 금속 사이에서 발생한 전기가 개구리 뒷다리로 흘러서, 경련이 발생한 게 아닐까 하고 의구심을 품습니다. 이를 증명하기 위해 볼타는 여러 번 실험을 거듭했고 전기가 금속 사이에서 발생했음을 알게 됩니다. 또 동물 속 수분이 매개체 역할을 했음을 밝혀냅니다. 즉, 개구리가 전해질 역할을 한 것입니다. 이 실험 결과를 바탕으로 볼타는 전기를 만드는 구조물을 제작하게 됩니다. 구리판과 아연판을 두고 이 두 금속 사이에 소금물을 적신 헝겊을 쌓아둡니다. 이게 바로 세계 최초의 화학전지, 볼타전지입니다.

1차 전지와 2차 전지의 차이

1차 전지와 2차 전지의 차이

배터리는 크게 두 종류로 나눌 수 있습니다. 1차 전지와 2차 전지인데요. 큰 차이점은 바로 ‘사용한 후 폐기하느냐’, ‘다시 반복해서 사용할 수 있느냐’입니다. 1차 전지는 한 번 사용한 뒤에는 폐기해야 합니다. 대표적인 1차 전지로는 알칼리전지를 들 수 있습니다. 알칼리전지는 전해액으로 수산화칼륨 수용액을 사용합니다. 양극(+)은 볼록 튀어나왔으며 이산화망간(MnO2) 전극이 연결되어 있고 음극(-)은 평평하며 아연(Zn) 분말이 연결되어 있습니다. 알칼리전지를 전자 기기에 꽂으면 자발적으로 산화/환원 반응이 진행되면서 아연은 산화아연(ZnO)으로 변하고 이산화망간은 삼산화이망(Mn2O3)이 됩니다.

2차 전지는 1차 전지와 달리 쓰임이 다 한 뒤에도 다시 충전하여 반복해서 쓸 수 있습니다. 대표적인 2차 전지로 납축전지와 리튬이온전지를 들 수 있습니다. 납축전지는 프랑스의 플랑테가 개발한 전지로 양극(+)은 이산화납(PbO2)이고 음극(-)은 납(Pb), 전해질로는 묽은 황산(2H2SO4)을 사용합니다.

 

납축전지의 충전과 방전 과정

리튬이온전지는 양극(+)으로 리튬코발트산화물(LiCoO2)을, 음극(-)으로 흑연(Graphite)을 주로 사용하며 유기 전해질을 넣습니다. 리튬이온전지는 차세대 배터리로 주목을 받고 있습니다. 작고 가벼워서 휴대전화나 노트북 등 경량화가 필요한 디지털 기기에 더없이 좋기 때문인데요. 전기 자동차가 점점 증가하면서 덩달아 리튬이온전지의 생산도 늘고 있다고 합니다. 미래의 전지, 내일의 배터리로 불리는 리튬이온전지! 그렇다면 리튬이온전지에 밀려 납축전지는 이제 필요 없는 배터리가 된 것일까요?

납축전지, 필요 없을까?

전기차 혹은 하이브리드 자동차 때문에 리튬이온전지의 생산이 늘어나고 있다는 뉴스를 한 번쯤 접한 적이 있을 것입니다. 그와 연계해 납축전지는 더 이상 필요 없는 배터리가 아닌가, 라는 의견도 등장하고 있습니다. 실제로는 어떠할까요?

중국의 2차 전지 시장

위의 표를 살펴보면 알 수 있듯이 리튬이온전지만큼 납축전지도 엇비슷하게 매출이 성장했습니다. 좀 더 세부 내용을 살펴보면 니켈카드뮴전지, 아연망간전지 등의 생산량과 매출액은 감소하거나 엇비슷한 데에 비해 납축전지는 2012년 대비 2013년과 2014년에 꾸준히 증가했습니다. 그 이유는 무엇일까요? 리튬이온전지가 쓰이는 전기차와 하이브리드차에도 납축전지가 필요하기 때문입니다.

 

하이브리드 자동차에도 쓰이는 납축전지

위의 사진처럼 토요타 캠리 하이브리드에도 납축전지가 들어가 있습니다. 납축전지는 자동차 SLI(Starting, Lighting, Ignition) 역할을 합니다. 시동, 점등, 점화의 역할만이 아니라 내비게이션 , 블랙박스, 통풍/온열 시트 같이 점점 세밀해지는 자동차 성능에 대한 요구 때문에 납축전지도 중요해지고 있습니다.

중국의 1위 납축전지 회사인 Leoch(理士)의 대표는 언론매체와 인터뷰에서 ‘납축전지는 100여 년 동안 끊임없이 발전해왔고 최근 흑연탄소 등 신재료의 개발과 응용에 따라 성능 또한 지속적으로 향상되고 있다’라며 ‘납축전지의 우수한 원가 경쟁력 및 제조 특성으로 미래에 발전할 가능성이 크다’라고 언급했습니다.

리튬이온전지가 배터리 역사에 극적으로 등장했고 미래의 배터리로 이야기되지만, 납축전지 역시 여전히 필요한 배터리임을 알 수 있습니다. 그럼, 납축전지는 주로 어떤 곳에 쓰일까요?

납축전지의 사용 용도

크게 운송 장치(Transportation), 동력 장치(Motive Power), 예비 전력(Reserve Power)으로 나눌 수 있습니다. 운송 장치로는 자동차, 선박, 오토바이, 골프 카 등이 있고 동력 장치로는 산업용 리프트, 기관차 등이 있습니다. 예비 전력으로 무정전 전원 장치(UPS) 등이 있습니다. 이 중에서 자동차가 납축전지 시장의 80%를 차지할 정도이며 최근 들어서는 무정전 전원 장치(UPS) 수요의 증가로 산업용 배터리 수요도 늘고 있습니다.

납축전지 외장 케이스로 쓰이는 플라스틱

납축전지 제작 시에 외장 케이스로 플라스틱이 쓰이는데, 12V 100A 규격의 납축전지의 경우 2016년 기준으로 국내에서는 약 18,000톤 정도가 쓰였다고 합니다. 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP), 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스타이렌 공중합체(Acrylonitrile Butadiene Styrene Copolymer, ABS) 등 다양한 플라스틱이 납축전지 외장 케이스로 사용됩니다. 이 플라스틱의 경우 다음과 같은 평가 기준을 가지고 테스트를 진행하고 있습니다.

납축전지 외장 케이스용 플라스틱 테스트 종류

내화학성 평가

사출된 제품에 빙초산을 채워 일정 시간이 지난 뒤에, 크랙(Crack)을 관찰합니다.

내충격성 평가

평평한 곳에 제품을 놓은 뒤 500g의 추를 이용해 0.5m, 1m 높이에서 여러 번 떨어뜨립니다. 이후 크랙(Crack)이 발생했는지를 관찰하고 평가합니다.

내열성 평가

배터리 케이스 두 개를 조립하여 접착시킨 뒤 공기를 채워서 일정 압력을 유지하도록 만듭니다. 이후 80℃에서 2시간 동안 에이징(Aging)한 뒤에 소재별로 얼마나 변형이 되었는지 그 길이를 정량적으로 평가하는 방법입니다.

납축전지 시장의 미래

많은 사람이 납축전지 시장은 이미 죽어가는 시장이라고 말합니다. 하지만 앞서 살펴본 것처럼 납축전지 시장은 꾸준히 성장하고 있습니다. 국내만이 아니라 전 세계적으로도 많은 납축전지 회사들이 존재합니다. 또 납축전지에 쓰이는 플라스틱 시장 또한 거대합니다.

100년 넘게 쓰이고 있는 납축전지 역시 미래를 대비해 끊임없이 연구하고 개발해야 할 것

산업연구원이 지난 해 2018년 3월 15일 발표한 <국내 이차전지 산업 현황과 발전과제>를 살펴보면 리튬이온전지가 발전되면서 시장이 확장되고 있지만 자동차 시동에 필요한 납축전지 시장 또한 꾸준히 증가했다고 나와 있습니다. 미래의 배터리 시장을 위해서 납축전지 또한 여러 시도를 해야 합니다. 다양한 환경에서 견딜 수 있는 플라스틱 원료를 개발하고 또한 금형을 제작해 테스트를 거쳐야 합니다. 100년 넘게 쓰이고 있는 납축전지 역시 미래를 대비해 끊임없이 연구하고 개발해야 할 것입니다.

내용 출처 : LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2018 봄호 P.2 ‘납축전지 시장과 플라스틱’(사출기술팀)

 

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