세계 최초의 배터리(Battery)

Published on April 29, 2021 / Roberto Sorin

 

 

개요

 내연기관 자동차의 시대가 저물고 전기차의 시대가 떠오르면서 내연기관 자동차에서 시동, 점등, 그리고 엔진 점화를 담당했던 소모품 중 하나인 배터리가 최근에는 기존 역할뿐만 아니라 동력원으로서의 기능 또한 수행하게 됐다. 전기차에 적용되는 배터리는 여러 개의 배터리 셀(Cell)과 이를 묶은 모듈(Moudle), 그리고 여러 개의 모듈을 결합한 팩(Pack) 단위로 자동차에 장착되며, 자동차의 제한된 공간 내에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당 높은 용량을 지녀야 하고 긴 수명을 필요로 한다.

 오늘날 전자기기뿐만 아니라 여러 산업분야에서 사용되는 배터리는 자동차의 출현 이전부터 발명, 개발되었고 여러 실험들을 통해 각종 원소들을 적용하면서 발전해왔다. 본문에서는 이러한 배터리의 역사를 소개한다.

 

 

최초의 배터리

Fig.1 Ironie pile Bagdad

 최초의 배터리는 호주의 고고학자인 빌헬름 쾨니히(Wilhelm König)가 주장한 이라크에서 발견된 바그다드 배터리(Baghdad Battery)라는 이야기도 있지만, 약 2000년 전에 만들어진 것으로 명확한 증거가 없기 때문에 하나의 가설로만 이야기되고 있다.

 

Fig.2 Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta

 

 화학 반응을 통한 전하를 저장하고 방출하는 최초의 배터리는 1800년 이탈리아의 "알레산드로 볼타(Alessandro Volta)"에 의해 발명되었고 이는 전기가 화학적으로 생성될 수 있다는 것이 증명됐음과 동시에 전기가 생명체에 의해서만 생성된다는 당시의 일반적인 이론을 뒤집는 혁신적인 발명이었다.

 

 

최초의 실용적인 배터리

Fig.3 John Frederic Daniell

 알레산드로 볼타가 발명한 배터리는 전해액이 누출되고, 짧은 수명을 가지는 등 실생활에 적용되기에는 어려움이 있었고 이를 개선해 영국의 화학자이자 물리학자였던 "존 프레데릭 다니엘(John Frederic Daniell)"이 1836년 "다니엘 셀(Daniell Cell)"이라는 이름의 최초의 실용적인 배터리를 개발해냈다. 동작전압이 약 1.1V였던 다니엘 셀은 긴 수명과 안정적인 전류를 제공하면서 전압을 정의하기 위한 최초의 작업표준으로 사용되기도 했다.

 

 

최초의 재충전 배터리(납-산 배터리)

Fig.4 Gaston Plante

 알레산드로 볼타가 최초의 배터리를 발명한 이후 전기화학 분야가 급격하기 발전하기 시작, 이후 여러 나라에서 발명과 개발이 이루어지면서 다니엘 셀과 같은 실용적인 제품들이 발명되었으나 방전 이후 더 이상 사용이 불가능했고, 이를 한번 더 발전시켜 프랑스의 물리학자인 "가스통 플랜테(Gaston Planté)"에 의해 방전 이후에도 다시 재사용할 수 있는 최초의 충전식 배터리인 "납산 배터리(Lead–acid battery)"를 1859년에 발명해냈다. 가스통 플랜테에 의해 개발된 납산 배터리는 최초 기차역에서 기차가 정차하는 동안 기차 내부를 밝히는데 처음 사용되었다.

 

 이후 독일의 "헨리 튜더(Henri Owen Tudor)"에 의해 1886년부터 최초로 납산 배터리가 대량생산되기 시작했다. 대량 생산되기 시작한 납산 배터리는 전기 조명을 시작으로 계속해서 발전하기 시작해 오늘날 내연기관 자동차의 시동, 조명, 엔진 점화를 위한 배터리까지 발전, 사용되고 있다.

 

 

최초의 건전지(Dry Cell)

Fig.5 Waldemar Jungner

 납산 배터리의 출현 이후 전기화학 분야의 중요한 개선 내용 중 하나는 전해질의 고정이었다. 톱밥, 석면 등 여러 가지 물질을 통해 실험이 이루어지는 도중 1886년 독일의 "칼 가스너(Carl Gassner)"는 석고를 이용해 전해질을 고정함으로써 최초의 건전지를 개발해냈다.

 

 "아연-탄소 전지(Zinc-Carbon Cell)"인 최초의 고체 전지는 액체 전해질을 가진 배터리보다 견고하고, 유지보수가 필요하지 않고 누출의 위험이 없으며 어떤 방향으로도 사용이 가능하게 되었다. 이후 1896년 미국 "내셔널 카본(National Carbon Company)"이라는 회사에서 최초 대량 생산하기 시작했다. 이후 1899년 스웨덴의 "발데마르 융너(Waldemar Jungner)"는 최초의 알칼리성 전해질을 사용한 "니켈-카드뮴 배터리(Nickel–Cadmium Battery)"를 개발하기도 했다.

 

 

최초의 리튬 이온 배터리

Fig.6 Gilbert-Newton-Lewis

 

 최초의 배터리가 발명된 이후 전기화학 분야는 발전을 거듭했고, 여러 전해질을 사용한 배터리 실험이 이루어졌고 좀 더 안정적인 전압과 사용성을 높인 배터리들이 개발되면서 비약적인 발전을 이루었다.

 한편 1912년 미국의 물리화학자 "길버트 뉴턴 루이스(Gilbert Newton Lewis)"는 스웨덴의 화학자였던 "요한 아우구스트 아르페손(Johan August Arfwedson)"이 발견한 반응성이 높고 인화성이 높으며 열과 전기의 좋은 전도체인 리튬(Lithium, Li)을 배터리에 적용하는 실험을 시작했다. 하지만 안정성이 낮은 리튬 특성상 상용화하는 데에는 꽤 오랜 시간이 걸렸고 최초 길버트 뉴턴 루이스에 의해 리튬을 배터리에 적용하는 실험이 시작된 이후 약 70년이 지난 시점인 1985년 일본의 "요시노 아키라(Akira Yoshino"가 설립한 "아사히 카세이(Asahi Kasei)"라는 회사에서 최초의 리튬이온 배터리를 시제품 형태로 제작했다. 이후 1991년 일본의 "소니(SONY)"에서 최초로 상용화했다.

 

 이후 휴대용 기기를 시작으로 방산업이나 항공업계에도 사용되기 시작했고, 전 세계적으로 대기 중 이산화탄소 농도 증가를 막기 위해 인간 활동에 의한 배출량은 최대한 감소시키고, 흡수량은 증대하여 실질적인 배출량을 제로로 하는 탄소중립(Carbon Neutrality)이 선언됨에 따라 대표적인 이동수단인 자동차에도 에너지 밀도가 높고 자가방전이 일어나는 정도가 작은 특성 때문에 리튬 이온 배터리가 전기차의 동력원으로 적용되고 있다.

 

 

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