[알쓸신기] ② 내 스마트폰 배터리는 왜 충전이 될까?…이온' 100미터 질...

리튬이온 원리와 에너지 이동…이차전지 속 '4대 요소'의 하모니

우리는 매일 기술의 혜택 속에 살고 있습니다. 아침에 눈을 뜨며 확인하는 스마트폰의 화면, 등굣길에 타는 전기버스, 그리고 숙제를 도와주는 인공지능까지. 하지만 정작 이를 설명하는 언어들은 'HBM', '양극재', '온디바이스 AI'처럼 낯설고 딱딱한 용어들로 가득 차 있습니다.

기술이 발전할수록 그 장벽은 높아만 갑니다. 산업 현장의 소식을 빠르게 전해온 는 어떻게 하면 흥미로운 기술의 세계를 성인뿐만 아니라 청소년들도 쉽고 재미있게 이해할 수 있을까를 고민했습니다. 그 결과로 '알쓸신기 : 알아두면 쓸데있는 신박한 기술 사전' 시리즈를 구성했습니다. 앞으로 우리 일상을 움직이는 핵심 산업 기술을 하나씩 풀어가도록 노력하겠습니다.

알쓸신기 : 알아두면 쓸데있는 신박한 기술 사전 [사진=생성형 AI 활용]

스마트폰 사용자라면 하루에도 몇 번씩 겪는 일상이 있다. 배터리 잔량이 붉은색으로 변할 때의 불안함과 충전기를 꽂았을 때 서서히 숫자가 올라가는 안도감이다.

우리는 너무나 당연하게 전선을 연결해 에너지를 채우지만, 1cm도 안 되는 얇은 스마트폰 배터리 내부에서는 지금 이 순간에도 수십억 개의 입자가 쉴 새 없이 움직이는 역동적인 드라마가 펼쳐지고 있다.

단순히 전기를 담아두는 '물통' 정도로 생각하기 쉬운 배터리는 사실 매우 정밀한 화학 공학의 결정체다. 현대 산업에서 배터리는 스마트폰을 넘어 전기차, 로봇, 심지어는 드론에 이르기까지 모든 움직이는 기기에 생명력을 불어넣는 '심장' 역할을 하고 있다. 그 중심에 서 있는 기술이 바로 리튬이온 배터리다.

배터리 내부의 '셔틀버스', 리튬이온의 여행 [사진=생성형 AI 활용]

◆ 배터리 내부의 '셔틀버스', 리튬이온의 여행

배터리가 충전되고 방전되는 원리를 이해하려면 '리튬이온'이라는 아주 작은 입자의 움직임에 주목해야 한다. 리튬이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막이라는 4대 구성 요소로 이루어져 있다.

쉽게 비유하자면, 배터리 내부는 '양극'이라는 화려한 호텔과 '음극'이라는 넓은 캠핑장으로 나뉘어 있다. 우리가 충전기를 꽂으면, 호텔(양극)에 머물던 손님들(리튬이온)이 짐을 싸서 캠핑장(음극)으로 일제히 이동한다. 이것이 에너지가 저장되는 충전 과정이다.

반대로 우리가 게임을 하거나 유튜브를 보며 스마트폰을 사용하면, 캠핑장에 있던 손님들이 다시 호텔로 돌아가기 위해 길을 나선다. 이때 발생하는 흐름이 전기를 만드는 방전이다. 손님들이 호텔과 캠핑장을 부지런히 오갈수록 우리의 스마트폰은 생생하게 살아 움직이게 된다.

LG에너지솔루션 '배터리 인사이드' 기술 자료. 리튬이온이 양극(호텔)과 음극(캠핑장) 사이를 이동하며 에너지를 저장하고 사용하는 기본 원리. [사진=LG에너지솔루션]

◆ 세상을 바꾸는 4대 핵심 요소의 하모니

이 여행이 안전하고 효율적으로 이루어지기 위해서는 각 부품의 역할이 결정적이다.

첫째, 양극재는 배터리의 '용량'과 '힘'을 결정한다. 리튬이온이 머무는 호텔의 객실 수와 같다. LG에너지솔루션이나 삼성SDI 같은 국내 기업들이 '하이니켈' 기술에 집착하는 이유도 이 호텔을 더 크고 화려하게 짓기 위해서다. 니켈 함량을 높일수록 한 번 충전에 더 오래 쓸 수 있는 고성능 배터리가 된다.

둘째, 음극재는 리튬이온을 받아들이는 저장소다. 최근에는 충전 속도를 높이기 위해 기존의 흑연 대신 실리콘을 섞는 기술이 연구되고 있다. SK온 등 국내 배터리 3사는 급속 충전 기술력을 높여 '5분 충전에 100km 주행' 같은 혁신을 만들어내고 있다.

셋째, 전해액은 리튬이온이 잘 움직일 수 있도록 돕는 '강물'과 같은 액체다. 이 강물이 맑고 흐름이 좋아야 이온들이 저항 없이 빠르게 이동할 수 있다.

마지막으로 분리막은 양극과 음극이 직접 만나 불꽃이 튀는 것을 막아주는 '휴전선' 역할을 한다. 아주 미세한 구멍이 뚫려 있어 리튬이온만 통과시키고 전자의 직접적인 접촉은 차단해 안전을 책임진다.