[과학에세이] 워크맨으로 돌아보는 전지의 추억

요즘 레트로 감성이 열풍이다. 희귀한 아이템이 된 옛날 음원의 카세트테이프 찾는 사람이 늘어나고 아이돌 연예인의 음원 굿즈가 옛 감성을 담은 테이프로 나오기도 한다. 워크맨에 테이프를 넣어 거리를 걸으며 노래를 듣던 그때가 얼마 되지 않은 것 같은데 세월이 이렇게나 흘렀다. 워크맨 세대였던 필자에게 이동하며 노래를 들을 수 있다는 사실은 감동이었다. 지금 생각해 보니 소니가 출시한 워크맨은 과학기술의 진보를 보여주는 물건이었다. 요시노 아키라가 성공한 리튬의 경량화, 리튬이온 전지는 무엇이기에 이렇게 생활의 편리함을 가져온 것일까?

리튬이온 전지를 살펴보기 전 전지에 대해 알아보자. 전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 근대 전지는 1800년에 발명된 볼타전지부터 시작된다. 구리와 아연이 묽은 황산에 녹으며 전기를 발생시킨 볼타전지는 연금술이라 불리던 화학 분야에 새로운 세상을 열었다. 근대 화학 발전에 공헌한 전지를 분류할 수 있는 방법에는 몇 가지가 있지만 오늘은 1차 전지와 2차 전지로 나누어 살펴보고자 한다. 1차 전지는 일회용 전지로 일반적으로 사용하는 건전지를 떠올리면 된다. 이에 반해 2차 전지는 한 번 사용한 후에도 충전에 의해 재사용이 가능하다.

1차 전지와 2차 전지의 차이점은 무엇일까? 1차 전지는 음극의 금속이 전해액에 녹으면서 생산되는 전자로부터 전기가 발생한다. 하지만 제한된 양의 음극이 모두 녹으면 더 이상 새로운 전자의 공급이 발생하지 않는 것이다. 1차 전지의 일회성과 방전된 전지 내부에 남아있는 화학물질이 환경오염을 시킬 수 있다는 점은 방전과 충전을 반복할 수 있는 2차 전지를 탄생시켰다. 2차 전지는 음극으로부터 이동해 온 전자가 양극에서 전해액 중의 이온과 반응하고 소비되면서 전자가 흐른다. 간단히 말해 음극에서 양극으로의 전자의 이동 과정을 통해 전기가 생산되고 방전이 일어났다면 외부전원으로부터 들어온 전기에너지의 도움을 받아 전기를 양극에서 음극으로 흘려 전자를 반대쪽으로 이동시킴으로써 방전과는 반대의 화학반응인 충전이 일어나며 재사용이 가능한 것이다.

하지만 2차 전지의 충전에 있어 재생에너지가 아닌 화석연료의 비중이 높다면 친환경 요소가 줄어든다. 화석연료 연소과정 중 발생하는 대기질 오염은 기후변화의 원인이기도 하다. 화석연료가 활성화될 수 있었던 가장 큰 이유는 무엇일까? 바로 에너지의 저장과 이송이다. 화석연료는 특정 장소에 보관하다 원하는 장소와 시기에 발전을 통해 전기를 생산해 낼 수 있다. 또한 연료를 필요로 하는 다른 지역으로 쉽게 이송할 수 있다는 점은 주요 에너지원으로 더할 나위 없다. 화석연료 과다 사용으로 인한 지구온난화는 친환경 에너지에 주목하게 만들었다. 하지만 대표적인 친환경 에너지로 손꼽히는 풍력과 태양광은 에너지원일 뿐 매개체의 역할을 하지 못한다. 이로 인해 3차 전지의 필요성이 부각된다.

3차 전지는 연료를 넣어 화학반응을 통해 전기를 만들어 내는 장치로 무엇을 연료로 사용하는가에 따라 그 종류가 다양하다. 최근 가장 주목받고 있는 3차전지는 그린수소를 연료로 사용하는 수소연료전지이다. 수소연료전지가 관심을 받는 가장 큰 이유는 ‘저장’이다. 에너지원일 뿐 매개체의 역할을 하지 못하는 신재생에너지와는 다르게 수소는 수소연료전지를 통해 에너지원이자 매개체의 역할까지 수행한다. 연소과정에서 생성되는 부산물이 오직 물뿐이며 이산화탄소의 배출이 전혀 없는 친환경 에너지라는 점이 무엇보다 매력적이다. 특히, 요즘같이 우크라이나 전쟁으로 LNG 공급이 어려워진 유럽에서는 신재생에너지의 가치와 활용의 중요성이 더욱더 각인되고 있다. 특히, 수소에너지의 보편화를 통해 외국에서의 에너지 수입 문제가 생기지 않고 자국에서 수소를 생산하고 사용하여 에너지 해외의존도를 낮추고자 적극적으로 대응하고 있다. 1차 전지와 2차 전지의 등장은 다양한 영역에서 생활의 편리함을 가져왔다. 이제는 3차 전지를 발전시켜 환경과 공존할 수 있는 과학기술이 등장할 차례가 아닐까.

권순철 부산대 사회환경시스템공학과 교수