배터리는 실제로 어떻게 작동할까

1800년 3월, 파비아 대학교의 한 작업대에서 알레산드로 볼타는 겉보기에는 무척 단순해 보이는 일을 해냈다. 그는 아연과 은으로 만든 작은 원반을 층층이 번갈아 쌓고, 짝을 이루는 원반 사이마다 소금물에 적신 판지 조각을 끼워 넣은 뒤, 기둥의 맨 위에서 맨 아래까지 전선을 연결했다. 회로를 닫자 전류가 흘렀다. 수십 년 동안 자연철학자들을 즐겁게 했던 단발성 정전기 불꽃이 아니라, 한순간에 사라지지 않고 지속적으로 이어지는 전기의 흐름이었다. 그달 20일 그는 그 결과를 런던 왕립학회에 보고했고, 세상은 조용히 최초의 믿을 만한 전류 공급원을 손에 넣었다.

오늘날 우리가 볼타 전퇴라고 부르는 그 기둥은 격렬한 논쟁에 종지부를 찍었고 하나의 과학 전체를 출발시켰다. 두 세기가 지난 지금, 다니엘, 플랑테, 그로브, 휘팅엄, 구디너프, 요시노 같은 긴 이름의 행렬을 거치며 다듬어진 바로 그 근본 화학이 당신 주머니 속 전화기, 차고에 세워진 자동차, 그리고 전력망에 전기를 저장하는 창고만 한 거대한 축전지를 움직인다. 놀라운 점은, AA 전지를 손에 쥐거나 노트북을 꽂는 거의 모든 사람이 그 안에서 실제로 무슨 일이 벌어지는지 모른다는 사실이다. 솔직한 답은 사람들이 배터리에 대해 가장 흔히 믿는 것을 뒤엎으니, 볼타의 소금물에 적신 판지에서 리튬이온 전지에 이르기까지 차근차근 쌓아 올려 보자.

볼타가 금속 더미 하나로 결판낸 논쟁

전퇴가 등장하기 전, 18세기 후반 전기에 관한 위대한 질문은 개구리를 둘러싸고 있었다. 볼로냐의 해부학자 루이지 갈바니는 죽은 개구리의 다리가 서로 다른 두 금속이 닿을 때 경련하는 것을 알아차렸고, 근육 자체가 그가 동물 전기라고 부른 무언가의 저장고를 품고 있다고 결론지었다. 살아 있는 조직에 저장된 일종의 생기 유체라는 것이었다. 매력적인 생각이었고, 그 뒤에는 세심한 실험의 무게가 실려 있었다.

볼타는 동의하지 않았다. 그는 개구리가 단지 민감한 검출기일 뿐이며, 전기는 동물이 아니라 서로 다른 두 금속이 축축한 도체와 만나는 접점에서 생겨난다고 의심했다. 그의 전퇴가 결정적인 증거였다. 소금물로 분리된 아연과 은을 쌓아, 어디에도 생물 조직 하나 없이 안정적인 전류를 만들어 냄으로써, 그는 그 효과가 근육이 아니라 금속과 금속과 전해질의 접촉에 깃들어 있음을 입증했다. 논쟁은 끝났다. 전류는 화학에서 나온 것이었다. 그 공로를 인정하여 전위의 단위인 볼트가 그의 이름을 따랐고, 화학 반응을 전류로 바꾸는 분야 전체가 자신 있는 첫걸음을 내디뎠다.

왜 배터리는 전기가 아니라 화학을 저장하는가

처음부터 바로잡을 가치가 있는 오해가 여기 있다. 이것이 다른 모든 것이 어떻게 맞아떨어지는지를 좌우하기 때문이다. 배터리는 전기를 저장하지 않는다. AA 전지 안에는 쏟아져 나오기를 기다리는 작은 전하의 저수지 같은 것이 없다. 배터리가 저장하는 것은 그 반응물의 배열 속에 잠겨 있는 화학 에너지이며, 그 에너지를 전기적 일로 바꾸는 것은 오직 필요할 때, 즉 당신이 회로를 완성하여 반응이 진행되도록 할 때뿐이다.

기반을 정리하는 김에 용어와 관련된 두 번째 지점도 주목할 만하다. 엄밀히 말하면 배터리는 애초에 단일 단위가 아니다. 이 단어는 직렬이나 병렬로 연결된 둘 이상의 전기화학 전지를 가리키는데, 마치 한 무리의 대포가 함께 작동하는 포대를 뜻하는 것과 같다. 예컨대 친숙한 9볼트 트랜지스터 배터리는 사실 직사각형 케이스 하나 안에 1.5볼트 전지 여섯 개가 쌓여 있는 것이다. 당신이 리모컨에 넣는 AA 하나는 제대로 말하면 전지다. 이 구분은 학자연하는 말장난이 아니다. 전압이 왜 특정한 둥근 숫자로 나오는지를 설명해 주고, 실제로 일을 하는 단위, 곧 전지를 가리켜 준다.

전지 내부: 음극, 양극, 그리고 염다리

전지를 그 본질까지 벗겨 내면 놀랄 만큼 정연한 구조가 드러난다. 자발적인 반응에서 전류를 만들어 내는 종류인 갈바니 전지는 두 개의 반쪽 전지로 이루어지며, 각 반쪽 전지는 자기 자신의 이온이 녹아 있는 용액에 잠긴 금속 전극으로 되어 있고, 둘은 두 가지 연결로 이어진다. 하나는 외부 전선으로, 전자가 이동하는 경로이자 전기가 유용한 무언가를 하는 유일한 자리다. 다른 하나는 전체를 전기적으로 균형 잡아 주는 내부 다리다.

화학은 두 전극 사이에서 깔끔하게 나뉜다. 한쪽인 **음극(anode)**에서는 우리가 산화라고 부르는 반응으로 금속이 전자를 내놓는다. 풀려난 그 전자들은 용액을 곧장 가로지를 수 없으므로 전선을 따라 밀려 나가며 그 길에서 전기적 일을 하고, 다른 전극인 **양극(cathode)**에 도착하는데, 그곳에서는 환원이라 부르는 반응으로 전자가 받아들여진다. 여러 세대의 학생들이 그 배정을 헷갈리지 않으려고 AN-OX RED-CAT이라는 암기법을 써 왔다. 음극에서 산화, 양극에서 환원이라는 뜻이다. 이는 어떤 갈바니 전지에서도 성립한다.

외부 전선만으로는 해결되지 않는 미묘한 점이 하나 있다. 음극이 양이온을 자기 용액 속으로 흘려보내고 양극이 자기 용액에서 양이온을 끌어내면, 양쪽에 전하가 빠르게 쌓여 반응은 순식간에 멈춰 버릴 것이다. 그 해법이 염다리다. 두 반쪽 전지 사이로 이온이 이동하게 하여 이온 회로를 닫아 주는 내부 경로다. 전자는 바깥의 전선을 따라 흐르고, 이온은 안쪽의 다리를 따라 흐르며, 어느 전극에도 전하가 쌓이지 않기에 전류는 계속 이어질 수 있다. 다리를 제거하면 전류가 멈추는데, 이는 전지가 완전한 전자 회로와 완전한 이온 회로를 모두 필요로 한다는 사실을 생생하게 보여 준다.

다니엘 전지와 교과서적 전압 1.10

이 모든 것을 가장 깔끔하게 보여 준 사례는 1836년에 나왔다. 런던 킹스 칼리지의 존 프레더릭 다니엘이 오늘날까지 표준 교육 사례로 남아 있는 것을 조립했을 때다. 한쪽에는 황산아연 용액 속에 아연 전극을 두었고, 다른 쪽에는 황산구리 속에 구리 전극을 두었으며, 그 사이에는 염다리 역할을 하는 다공성 세라믹 장벽을 두어 두 용액이 자유롭게 섞이지 않게 하면서도 이온은 통과하게 했다.

반응은 정확히 교과서에 나오는 그 짝이다. 아연 음극에서는 각 아연 원자가 전자 두 개를 내놓고 아연 이온으로 용액에 녹아드는데, Zn이 Zn(II)와 전자 둘이 되는 것으로 쓴다. 그 전자들은 전선을 따라 구리 양극으로 이동하고, 그곳에서는 이미 용액 속에 있던 구리 이온이 전자를 받아들여 고체 금속으로 석출되는데, Cu(II)와 전자 둘이 Cu가 되는 것이다. 그 결과 아연 전극은 서서히 녹고 구리 전극은 자라나며, 두 금속이 전자를 붙잡으려는 열의의 차이가 단자 양단에 1.10볼트의 표준 전위로 나타난다. 아연, 구리, 그리고 그 황산염 용액보다 더 이색적일 것이 없는 데서 태어난 그 숫자는 모든 화학도가 가장 먼저 계산하는 값이다. 전극 전위라는 추상적 개념을 구체적이고 측정 가능한 것으로 만들어 주기 때문이다.

한 번 쓰기와 여러 번 쓰기: 일차 전지, 이차 전지, 그리고 연료 전지

전지를 만들 수 있게 되면, 실용적인 질문은 그것을 거꾸로 돌릴 수 있느냐가 된다. 이로써 분야 전체가 두 개의 큰 부류로 나뉜다. 일차 전지는 자기 화학 반응을 한 번 진행하면 그것으로 끝난다. 반응이 실용적으로 가역적이지 않으므로 반응물이 다 소모되면 전지는 폐기된다. 수산화칼륨 전해질 속의 아연과 이산화망간으로 만든 흔한 알칼라인 AA가 그 전형적인 예이며, 이 설계는 1959년 무렵 루이스 어리의 연구로 거슬러 올라간다.

반면 이차 전지는 외부 전원으로 거꾸로 구동할 수 있어, 생성물을 다시 반응물로 밀어 넣어 또 한 차례 순환할 수 있도록 재충전된다. 가스통 플랑테는 1859년에 최초의 이차 전지인 납축전지를 만들었는데, 황산 속의 그 납판은 도로 위 거의 모든 내연기관 자동차의 시동 모터를 돌리는 묵직한 전류 폭발을 지금도 공급한다. 납축전지는 한 세기 반이 넘었지만 여전히 현역인데, 바로 값싸고 튼튼하며 자신에게 주어진 그 한 가지 일을 잘하기 때문이다. 다만 오늘날 지배적인 충전식 화학은 리튬이온이며, 이에 대해서는 곧 다룰 것이다.

전지를 닮았으면서도 일차와 이차의 이분법을 완전히 벗어나는 세 번째 구조도 있다. 연료 전지에서는 반응물이 장치 안에 저장되어 있지 않고 바깥에서 끊임없이 공급되므로, 연료가 계속 도착하는 한 전지는 전류를 만들어 낸다. 웨일스의 판사이자 아마추어 화학자였던 윌리엄 로버트 그로브는 1839년 자신의 기체 볼타 전지로 그 원리를 시연했다. 백금 전극 하나 위로는 수소가, 다른 하나 위로는 산소가 기포로 흐르고, 둘 다 묽은 황산에 잠긴 채 결합하여 물과 전류를 만들어 냈다. 연료 전지는 배터리의 연속 공급식 사촌이라고 생각하는 것이 가장 좋다. 같은 전기화학을 공유하되 공급이 이어지는 한 결코 닳지 않는다. NASA는 이 발상을 극적으로 활용하여, 1968년 아폴로 7호부터 시작해 모든 유인 아폴로 임무에 알칼라인 수소-산소 연료 전지를 실어 보냈는데, 그 전지들은 전기뿐 아니라 마침맞게 우주비행사를 위한 식수까지 공급했다.

리튬이온의 궤적과 모든 것을 지배하는 숫자들

현대의 삶을 규정하는 그 배터리는 단 한 번의 번뜩임으로 발명된 것이 아니라 약 12년에 걸쳐 세 개의 실험실에서 조립되었다. 1970년대 초 엑손에서 일하던 M. 스탠리 휘팅엄은 **삽입(intercalation)**을 시연했다. 숙주 물질인 이황화티타늄의 층상 구조를 찢어 놓지 않으면서 그 안팎으로 리튬 이온을 가역적으로 미끄러뜨려 넣고 빼는 기술이었다. 1980년 옥스퍼드의 존 B. 구디너프는 작동 전압을 약 4볼트까지 끌어올리는 숙주를 찾아냈는데, 그것이 표준 양극 물질이 된 리튬코발트산화물이었다. 1985년 아사히카세이의 요시노 아키라는 그 코발트산화물 양극을 석유 코크스로 만든 음극과 짝지어 설계를 완성했고, 음극은 나중에 흑연으로 다듬어져 안전하고 제조하기에 실용적인 전지가 되었다. 소니는 1991년에 그런 전지를 최초로 상용화했고, 2019년 노벨 화학상은 그 업적을 두고 휘팅엄, 구디너프, 요시노를 함께 인정했다.

볼타의 전퇴부터 리튬이온 팩에 이르기까지, 이 모든 전지 밑에는 1834년 왕립연구소에서 마이클 패러데이가 놓은 정량적 뼈대가 깔려 있다. 그의 두 가지 전기분해 법칙은 이렇게 말한다. 첫째, 전극에서 석출되거나 유리되는 물질의 질량은 통과한 전하량에 비례한다. 둘째, 같은 양의 전하에 대해 그 질량들은 물질의 당량에 비례한다. 이 법칙들에서 쿨롱이라는 전기의 세계와 몰이라는 화학의 세계 사이를 환산해 주는 상수가 나오는데, 바로 패러데이 상수로, 몰당 96,485쿨롱과 같으며 이는 그저 전자 1몰이 나르는 총 전하량이다. 전지가 얼마나 오래 갈지를 어림하든 금속을 얼마나 소모할지를 어림하든, 정직한 배터리 계산은 모두 그 숫자를 거쳐 간다.

핵심 요약

배터리는 저장된 전기의 탱크가 아니라 필요할 때 전기적 일로 바뀌는 저장된 화학 에너지로 이해하는 것이 가장 좋으며, 엄밀히 말하면 둘 이상의 전기화학 전지가 연결된 것이다. 9볼트 배터리가 사실은 1.5볼트 전지 여섯 개인 이유가 바로 여기에 있다. 각 전지는 볼타의 1800년 전퇴로 입증되고 다니엘의 1836년 아연-구리 전지에서 1.10볼트로 정식화된 단 하나의 정연한 도식으로 작동한다. 음극에서 산화, 양극에서 환원(AN-OX RED-CAT)이 일어나고, 전자는 외부 전선을 따라 흐르는 한편 염다리가 안쪽으로 이온을 날라 전하가 결코 쌓이지 않게 한다. 전지는 재사용 가능성에 따라 분류되는데, 알칼라인 전지 같은 일회용의 일차 화학, 플랑테의 1859년 납축전지로 시작되어 이제는 휘팅엄, 구디너프, 요시노가 1970년대 초부터 1985년 사이에 만들어 낸 리튬이온 설계(2019년 노벨상)가 지배하는 충전식 이차 전지, 그리고 그로브가 1839년에 시연하고 NASA가 아폴로에 실어 보낸 연속 공급식 연료 전지로 나뉜다. 이 주제 전체를 정량적으로 하나로 묶어 주는 것은 패러데이의 1834년 전기분해 두 법칙과, 전자 1몰의 전하이자 모든 전기화학 문제에서 쿨롱과 몰을 잇는 다리인 패러데이 상수, 곧 몰당 96,485쿨롱이다.