이토록 쓸모 있는 리튬이온배터리 이야기

박명구 지음

맘에드림 2025년 11월 17일 출간 국내도서 : 2024년 12월 10일 출간

작품소개

책소개

이 책은 전기자동차의 심장과 같은 리튬이온배터리 안에서 어떤 원리로 전기에너지를 만들어내는지 알기 쉽게 설명한다. 배터리를 이루는 핵심 요소와 재료 선택의 이유부터 충전과 방전 중 배터리 안에서 일어나는 일련의 메커니즘은 물론, 최근 사회적 불안감이 고조되는 배터리의 열폭주 등을 과학적으로 파헤친다. 다만 이론적 설명보다는 독자들 스스로 사고실험을 통해 머릿속에서 마음껏 생각을 확장할 수 있게 격려한다. 사고실험이란 실험에 필요한 장치와 조건을 가정한 후 이론을 바탕으로 일어날 현상을 예측하는 것으로 과학자들도 자주 시도하는 방식이다. 특히 배터리 관련 실험은 일상에서 시도하기에는 너무 위험하고, 무엇보다 까다로운 제반조건을 충족시키기 어렵기 때문에 사고실험은 안전하게 생각을 펼치는 데 더할 나위 없다. 이 책을 통해 전기에너지의 실체를 한층 쉽고 재미있게 이해하고, 나아가 지속가능한 에너지의 미래에 대해서도 함께 고민해 볼 수 있을 것이다.

목차

저자의 글
프롤로그





01 메커니즘
에너지는 어떻게 만들어질까?

활활 태워라! 그러면 에너지가 솟을 것이다!
물리적인 에너지: 총합은 언제나 같다!
화학적인 에너지: 반응이 일어나면 뭔가 만들어지지!
전기에너지는 어떻게 대량생산되는 걸까?
모든 에너지의 중심에 있는 열에너지


02 배터리와 전기화학셀
배터리를 알아가며 친해져 볼까?

배터리가 전류를 저장하고 생산하는 법
직접적인 방식의 산화 환원 반응을 알아보자
간접적인 방식의 산화 환원 반응은 뭐가 다르지?
어떻게 자발적으로 반응이 일어났을까?


03 리튬이온배터리
방전과 충전은 어떻게 이루어질까?

리튬이온 전기화학셀의 내부가 궁금해?
방전의 의미는 무엇일까?
방전이 자발적으로 진행되는 이유는?
충전의 의미는 무엇일까?
방전과 충전을 학생들의 이동에 비유해 보자!



04 성능과 안전성
무엇이 리튬이온배터리의 품질을 좌우할까?

뭐니 뭐니 해도 많은 전류를 저장해야 해!
과충전은 위험해!
산화 환원 물질의 표준 사용량은 어떻게 정해질까?
흑연의 보호막은 어떤 역할을 하나?
과도한 방전도 위험해!
리튬이온 손실과 내부저항의 증가를 최소화하려면?
배터리의 수명은 어떻게 정할까?
배터리의 얼굴, 폼팩터를 알아보자!
전기자동차의 화재는 어떻게 발생할까?
리튬이온배터리의 성능을 높이기 위한 연구들
전고체배터리, 어디까지 알고 있니?


05 지속가능한 미래
전기자동차는 정말 친환경적일까?

지구온난화가 가져온 정책의 지각변동
소비문화를 바꾸는 기후변화와 그린워싱
전과정평가를 알아보자
전기자동차가 환경에 미치는 영향
왜 관점을 확장해야 하는가?
미래의 중심 에너지는 전기에너지다

에필로그
용어설명
참고자료

책 속으로

만약 전 세계에 갑자기 정전이 일어난다고 가정하면 어떻게 될까요? 단 하루라도 엄청난 혼란과 막대한 경제적 손실이 예상됩니다. 그만큼 전기에너지 없는 일상은 이제 상상하기 어렵습니다. _9쪽

에너지(energy)는 꼭 과학 시간에만 등장하는 말은 아닙니다. 사실 우리는 일상에서도 에너지라는 말을 꽤 자주 사용해요. _18쪽

중력처럼 물체의 운동 경로가 단순하건 복잡하건 상관없이 각 에너지의 증가 혹은 감소가 균형을 유지하여 그 합이 일정한 경우 이때 작용하는 힘을 특별히 보존력이라고 합니다. _26쪽

고전역학은 물체의 현재 운동상태를 파악하고 이를 기반으로 미래의 운동상태도 예측합니다. 당시 과학자들은 이 원리가 작디작은 원자의 세계에서도 그대로 적용되리라 생각했습니다. _32쪽

전자들은 실제로 핵으로부터 일정한 거리, 즉 일정한 정전기력 포텐셜만큼 떨어진 특정 공간에서만 운동하고 있습니다. 바로 이 특정 공간을 전자껍질(Electron Shell)이라 합니다. _39쪽

과학자들은 반응물인 수소(2H2)와 산소(O2)가 만나 생성물인 물(2H2O)이 만들어지는 동안 열이 항상 방출된다는 것에 착안하였습니다. 그래서 연소반응이 진행되는 동안 내부에너지가 감소되고, 그 차이만큼 열이 방출될 거라는 가설을 세웠죠. _48쪽

자기력선은 같은 방향이면 중첩되고, 반대 방향이면 상쇄되는 특징이 있는데, 이는 자기력을 가진 두 물질이 서로 당기거나 밀어내는 현상을 설명하는 데에도 사용됩니다. _58쪽

일반적으로 전기에너지는 ‘깨끗하다’는 이미지를 줍니다. 근거 없는 말은 아닙니다. 우리가 일상에서 다양한 전기제품을 사용할 때 이산화탄소는 물론 불쾌한 냄새나 매연이 발생하지 않습니다. 전기자동차도 마찬가지입니다. _69쪽

간접적인 방식의 산화 환원 반응을 이해하기 위해 우선 주목해야 할 것은 전자의 자발적 이동입니다. _88쪽

이는 발효가 재료 안의 단백질을 분해시켜 유리글루탐산 형태를 많이 만들어 수용체에서 결합할 수 있게 만들어주기 때문입니다. 유리글루탐산이 많이 만들어질수록 깊고 풍부한 맛, 즉 감칠맛이 더해지는 셈이죠. _81쪽

기본단위에서 일어나는 반응을 살펴보면 중요한 공통점을 발견할 수 있습니다. 그건 바로 코발트 산화물이나 흑연 모두 전자를 받아 음이온이 되고, 이후 양이온인 리튬이온과 쉽게 결합하는 물질이라는 점이지요. _105쪽

커피에도 카페인이 있고, 녹차에도 카페인이 들어 있습니다. 그럼에도 커피의 카페인에 대해서는 다양한 경고와 주의의 권고가 따르는 것에 비해 녹차에 대해서는 별로 그런 이야기를 들어본 적이 없을 것입니다. 대체 커피와 녹차의 카페인 반응 이 어떻게 다르기에 이런 상반된 반응을 보이는 것일까요? _96쪽

이 세상의 모든 물질은 식품이기도 하지만, 깊이 파고 들어가면 결국 여러 가지 원소로 이루어진 화합물인 셈이죠. 그리고 우리 몸 은 그것을 음식물의 형태로 섭취함으로써 매일매일 끊임없이 화학 반응이 일어나는 개체입니다. _101쪽

액체전해질은 리튬이온 전기화학셀을 구성하는 물질 중 유일한 액체입니다. 즉 나머지 물질은 모두 고체이지요. 액체전해질은 비록 전기에너지가 저장되는 물질은 아니지만, 전기에너지의 원활한 생산을 위해 없어서는 안 될 꼭 필요한 존재입니다. _113쪽

리튬이온 전기화학셀의 정전기력 포텐셜 차이는 보통 4.2[V] 정도입니다. 이는 다른 종류의 산화 환원 물질쌍을 사용한 여타 전기 화학셀들의 전압과 비교할 때 매우 큰 편이지요. _122쪽
참, 또 하나 유의할 점은 방전할 때 산화된 물질은 충전할 때는 반대로 전자를 받기 때문에 환원되는 물질이 되고, 방전할 때 환원된 물질은 역시 충전할 때는 반대로 전자를 잃기 때문에 산화되는 물질이 된다는 점입니다. _129쪽

리튬 코발트 산화물의 경우 이동가능한 전체 전자들 중 보통 50[%]만 이동시키지요. 리튬 코발트 산화물에서 이동 가능한 전자가 아무리 많아도 이동 비율이 작으면 충전할 때 이동되는 전자의 수도 줄어들기 때문에 충전과 방전을 반복해야 하는 2차전지에서 전자의 이동 비율은 상당히 중요한 요소입니다. _145쪽

과충전이 지속될수록 석출되는 리튬금속이 표면에 계속 쌓이면서 점차 길어지는데 배터리 과학자들이 현미경으로 관찰한 바에 따르면 그 모습이 마치 나뭇가지 모양과 비슷하다 하여 덴드라이트 (Dendrite)라 부르게 되었습니다. _155쪽

산화 물질과 환원 물질의 양을 정할 때, 가장 중요하게 고려할 것은 충전할 때 흑연에 저장하고자 하는 최대 충전전하량, 즉 전자의 최대 개수입니다. _158쪽

흑연의 보호막이 만들어지고 나면 드디어 전자와 유기용매의 분해반응은 멈추고, 흑연으로 이동한 전자는 리튬이온과의 결합에만 사용됩니다. _167쪽

과방전 → 충전 → 과방전’ 사이클이 반복될수록 ‘흑연 보호막의 산화분해 → 유기용매의 환원분해(보호막 재생) → 재생된 보호막의 산화분해’ 과정도 반복되면서 기체물질이 계속해서 발생합니다. _181쪽

방전과 충전을 반복하는 과정에서 전하량의 손해가 발생하는 것은 리튬이온의 손실과 직접적인 관련이 있습니다. _183쪽

리튬이온배터리의 수명을 정하기 위해 배터리 과학자들이 가장 많 이 사용하는 지표는 잔존용량입니다. _198쪽

전기자동차에 사용되는 리튬이온배터리는 스마트폰 같은 작은 통신기기나 가전제품에 사용되는 것 대비 한 개당 방전용량이 상당히 큽니다. _206쪽

배터리 과학자들은 배터리팩을 설계할 때, 배터리 화재의 전파 원인인 리튬이온배터리 간 열 전파를 차단하기 위한 목적으로 다양한 재료들을 테스트해 보고 있습니다. _213쪽

분리막은 화재발생 예방을 위해 리튬이온 전기화학셀이 자체적으로 가지고 있는 제1의 중요한 방어 수단이므로, 분리막이 훼손되면 화재로 이어질 수 있습니다. _217쪽

전고체배터리는 쉽게 말해 리튬이온 전기화학셀의 4가지 핵심적인 물질 중 하나인 액체전해질을 대신하여 고체전해질을 사용한 배터리입니다. _222쪽

기후변화의 심각성은 이제 개개인의 소비에도 영향을 미치고 있습 니다. 실제로 소비자의 제품 선택 기준이 예전과 달라진 점을 발견할 수 있습니다. _234쪽

결국 이산화탄소의 총발생량은 발전에 사용되는 에너지원 비율인 전원믹스(Electricity Mix)의 국가별 상황에 크게 의존함을 알 수 있습니다. _245쪽

출판사 서평

흥미로운 사고실험으로 속속들이 파헤치는
전기차의 심장, 리튬이온배터리의 실체!

우리의 평범한 일상은 이미 과학으로 가득 차 있다. 인공지능은 물론, 생활을 편리하게 만들어주는 다양한 전자제품부터 세제와 같은 생활용품도 모두 과학의 결과물이다. 하지만 사람들 대부분은 과학기술의 발달이 우리에게 안겨준 편리만을 당연하게 취할 뿐, 그 원리에 대해서는 별로 궁금해하지 않는다. 하지만 오늘날과 같은 불확실성 시대에는 작은 것에도 의문을 갖고 스스로 질문하고 주도적으로 문제를 해결하는 능력이 꼭 필요하다. 원리를 알면 알수록 더욱 재미있어지고, 새로운 궁금증이 꼬리에 꼬리를 무는 과학 이야기를 통해 일상을 지적 생동감으로 가득 채워보면 어떨까?
이 책은 흥미진진한 과학 이야기 속에서 끊임없이 생각의 날개를 펼칠 수 있게 북돋는다. 특히 전동화 시대에 더욱 주목받고 있는 전기자동차의 심장, 리튬이온배터리가 전기에너지를 만드는 원리를 속속들이 파헤친다. 최근 전기자동차 화재 사고가 잇따르며 사회적 불안감이 높아지고 있다. 아는 것이 힘이라는 말처럼 리튬이온배터리에 숨은 개념과 원리를 이해하고, 책에 소개된 다양한 사고실험을 진행하는 동안 막연한 두려움은 사라지고, 문제해결력과 사고력은 깊어질 것이다. 나아가 지속가능한 에너지의 미래를 위해 과학기술이 나아갈 방향 등 세상을 바라보는 새로운 시각도 갖게 될 것이다.

전기차를 달리게 하는 힘, 전기에너지가 만들어지는 비밀
세상에는 눈에 보이지 않아도 존재하는 것들이 있다. 예컨대 신념이나 신앙, 사상 등은 보이지 않지만, 사람들을 움직이는 힘을 발휘한다. 보이지 않으니까 존재하지 않는다고 단정할 수 없는 이유다. 리튬이온배터리 안에서 일어나는 반응들도 그러하다. 비록 우리 눈으로 직접 볼 수 없지만, 리튬이온과 전자의 움직임으로 인해 에너지, 그것도 자동차를 움직일 만큼 큰 에너지가 만들어진다. 이에 첫 장에서는 배터리에서 일어나는 일들을 제대로 이해하기 위한 기초개념을 중심으로 이야기한다. 물리적인 에너지, 화학적인 에너지부터 시작하여 중·고등학교 수준의 과학지식을 바탕으로 하나하나 풀어본다.

배터리와 전기화학셀과 친해지기
배터리에서 전기에너지를 생산하는 기본적인 단위인 전기화학셀에 대해 알아보는 것은 배터리를 이해하는 첫걸음이다. 하지만 현실적으로 아무리 궁금증이 몰려온다고 해도 당장 전기자동차에 사용되는 배터리의 포장을 뜯고 내부를 들여다보기는 어렵다. 이 책은 다양한 그림 자료와 함께 우리가 몰랐던 배터리의 내부로 독자들은 안내한다. 여기에서는 특히 전기화학셀을 통한 간접적인 산화 환원 반응을 중심으로 전기에너지가 만들어지는 원리를 알기 쉽게 설명하고자 한다.

2차전지의 방전과 충전 비밀
리튬이온 전기화학셀의 원리가 산화 환원 반응에 기초한다는 것을 토대로 본격적으로 방전과 충전 과정에서 일어나는 일들을 생생하게 살펴보고자 한다. 전기화학셀에 사용되는 핵심 재료들의 역할을 하나하나 알아보는 동안 배터리의 비밀이 하나둘씩 해소될 것이다. 아울러 여러 번 충전과 방전을 거듭해도 리튬이온배터리가 일정 기간 성능을 유지할 수 있는 이유에 대해서도 이해하게 될 것이다. 이 과정에서 재미있는 예시와 함께 다양한 사고실험을 경험하게 될 것이다.

미션, 배터리의 성능과 안전성을 높여라!
리튬이온배터리는 전기자동차의 핵심부품인 만큼 전기자동차의 성능과 직결된다. 이에 무엇이 리튬이온배터리의 품질을 좌우하는지를 낱낱이 파헤쳐 본다. 관련된 요인들을 하나하나 들여다보는 동안 왜 리튬이온배터리가 현재 전기자동차의 심장 역할을 꿰차게 되었는지 그 이유와 함께 앞으로 어떤 점이 더욱 보완되어야 하는지에 관해서도 생각해 볼 수 있을 것이다. 아울러 최근 사회적 불안감이 고조되는 전기자동차의 화재 문제, 꿈의 배터리로 불리는 전고체배터리 연구 현황에 관해서도 살펴본다.

전기차와 지속가능한 에너지의 미래
지구온난화와 기후변화는 이제 전 세계의 지속가능한 미래를 위협하고 있다. 이미 세계 각국에서 문제해결을 위한 다양한 전략이 논의되며, 정책에 반영되고 있다. 그중 온실가스를 배출하지 않는 전기자동차의 보급도 주요 해결 방안의 하나로 꼽힌다. 이에 마지막 장에서는 친환경의 관점에서 전기자동차를 바라보며, 에너지의 미래에 관해서도 생각해 보려 한다.

배터리와 함께 물리학, 화학, 환경공학을 넘나드는 지적 탐구 활동
인공지능이 발달할수록 수동적인 학습보다는 지적 호기심과 궁금증을 가지고 스스로 문제를 해결하고 새로운 지식을 발견하기 위해 끊임없이 노력하는 지적 탐구 활동이 더욱 강조된다. 이러한 활동은 비단 학업뿐만 아니라 향후 연구, 창작 등 다양한 분야로도 이어진다. 즉 지적 탐구 활동을 통해 학생들은 자기주도적 학습 능력을 키울 수 있고, 나아가 어른이 되어 각자 종사하는 분야에서 끊임없는 성장과 발전을 이끌어낼 수 있다는 뜻이다. 다만 지적 탐구를 위해서는 일정 수준의 지식을 습득하고 학습하는 과정이 꼭 필요한 것처럼 이 책에 담긴 내용들도 물리학, 화학, 환경공학을 넘나들며 과학적 사고력과 문제해력능력을 발휘하고픈 다양한 지적 탐구 활동을 자극할 것이다.

인물정보

저자(글) 박명구

미국 퍼듀대학교(Purdue University at West Lafayette) 항공우주공학과에서 박사학위를 받았다. 미시간대학교(University of Michigan at Ann Arbor) 기계공학과에서 박사후연구원으로서 디트로이트(Detroit)에 있는 빅3 자동차회사와 전기자동차용 리튬이온배터리의 열화 메커니즘 연구를 다년간 수행하였다. 이후 한국의 대기업에 입사하여 배터리연구소 소속 수석연구원으로서 리튬-공기배터리와 지브라(ZEBRA)배터리 연구를 수행하였으며, 기술전략실 Global Open Innovation 소속 부장으로서 혁신적인 배터리 소재 발굴을 위해 글로벌기업, Startup, 연구소 및 대학교 등을 찾아 세계를 누볐다. 전해질을 생산하는 중견기업으로 전직 후 임원으로서 연구소장 등 핵심 보직을 역임하며 리튬이온배터리에 들어가는 액체전해질과 전고체배터리에 사용될 고체전해질 연구를 이끌었다.
대표 논문으로는 2024년 10월 25일 Google Scholar 기준 1,890회가 인용된 〈A Review of Conduction Phenomena in Li-ion Batteries〉가 있다. 지금은 15년간의 배터리 분야 연구 경험을 바탕으로 자칫 어렵게 느낄 수 있는 과학 분야의 여러 가지 흥미로운 주제들로 청소년과 일반 대중이 쉽게 이해할 수 있는 글을 쓰고자 노력하고 있다.