배터리(battery)는 1차 전지와 2차 전지가 있고, 연료전지(fuel cell)는 3차 전지라 불리지요. 1차 전지는 충전이 불가능한 배터리를 의미하며 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있는 배터리를 뜻하는데요. 연료전지와 배터리의 공통점과 차이점을 비교하려면 각각의 구조를 간단하게라도 이해하고 있어야 합니다. 때문에 대표적인 2차 전지인 리튬이온전지와 수소연료전지의 구조를 먼저 확인해보도록 하겠습니다.
리튬이온전지(배터리)와 수소연료전지의 구조 알아보기
∇ 리튬이온전지(lithium-ion battery)는 충전할 때와 방전할 때 전자와 양이온의 이동이 상이한데요. 우선 리튬이온 전지를 충전할 때를 생각해 볼까요? 충전을 위해 외부에서 전기가 가해지면 양극에 물려있는 리튬 금속이 리튬이온과 전자로 이온화됩니다. 그러면 리튬 이온은 전해질을 통해, 전자는 도선을 통해 음극 쪽으로 이동하게 되며 음극의 흑연에서 결합하면서 환원 반응이 일어나게 됩니다. 이때 흑연은 층상 구조를 가지고 있기 때문에 리튬이 흑연 층 사이사이로 저장되게 되는데요. 이것이 바로 리튬이온전지의 충전 과정이랍니다.
방전 과정은 이것의 정반대인데요. 기존의 흑연 층에 저장되어 있던 리튬이 음극에서 리튬이온과 전자로 이온화되고, 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동합니다. 전자는 전해질을 통한 이동이 불가능하기 때문에 연결된 도선을 통해 양극으로 이동하게 되며 이로부터 도선에 전류가 흐르게 되는 것이지요.
∇ 수소연료전지(fuel cell)는 수소저장탱크 속 수소가 음극에서 수소 이온과 전자로 이온화되면서 수소이온은 전해질을 통해, 전자는 도선을 통해 양극으로 이동합니다. 양극에는 공기가 흐르는데 공기 속 산소와 수소이온, 전자가 결합하여 물(water)을 생성합니다. 이 과정에서 전하가 도선을 통해 이동하였기 때문에 전류가 흐르게 되는 것이지요.
리튬이온전지(배터리)와 수소연료전지의 공통점은?
수소연료전지(fuel cell)와 리튬이온전지는 둘 다 전극에 연결된 연료와 산화제 사이의 전기화학반응을 통해 에너지를 발생시키는 전기화학 장치라는 공통점이 있습니다. 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환된다는 점이 동일하답니다.
리튬이온전지(배터리)와 수소연료전지의 차이점은?
∇ 리튬이온전지(배터리)는 내부에 화학 에너지가 저장되어 있는 에너지 저장 장치입니다. 외부에서 연료가 공급되지 않기 때문에 전지 내부에 저장된 연료와 산화제의 양에 의해 용량이 결정되지요. 즉, 연료의 한계로 인하여 배터리 크기(size)만큼만 전기를 담을 수 있습니다. 때문에 1차 전지의 경우에는 내부의 반응물이 전부 소진되면 더 이상 전기를 발생시키지 못합니다.
2차 전지인 리튬이온전지는 충전과 방전이 가능해 보다 수명이 길지만, 사용하지 않을 때에도 느리게 자가방전이 일어나 배터리의 수명이 단축됩니다. 대신 배터리는 오로지 배터리에 전극만 연결하면 전기를 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있답니다.
∇ 반면에 수소연료전지는 연료와 산화제만 있으면 지속적으로 전기를 생산해 낼 수 있는 에너지 변환 장치입니다. 연료전지의 화학에너지는 연료전지 바깥의 수소탱크에 저장되어 있지요. 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받고, 수소가 연료전지라는 발전기를 통과하면서 화학반응을 일으켜 전기를 발생시키는 구조이기 때문에 에너지 보관장치가 아닌, 에너지 변환 장치입니다.
때문에 연료전지는 리튬이온전지와는 다르게 전기 충전은 필요 없으며 고압 수소 충전이 필요합니다. 여기서 전기자동차와 수소자동차의 충전 속도에 차이가 발생하게 되는 것이죠. 그리고 연료전지는 연료 카트리지를 지속적으로 교체해줌으로써 이론상 영구적으로 사용할 수 있습니다. 다만 연료전지는 에너지 변환 장치이기 때문에 연료전지만 있다고 해서 전기를 사용할 수 있는 것은 아니며, 수소탱크와 팬(fan), 열교환기 등의 시스템이 필요하답니다.
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