배터리와 관련된 기사가 늘어나면서 제 2의 반도체를 꿈꾸고 있는 배터리에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그러나 이런 기사들에는 다양한 전기공학 용어들이 포함되어 있는데, 이를 모두 이해하는 것은 쉽지 않을 수 있습니다. 오늘은 이러한 어려운 용어들을 간단하게 정리하여 설명하도록 하겠습니다.
볼트, 암페어, 와트, 전력 한 번에 이해하고 가기!
배터리에 대해 기본적으로 이해하시려면 중학교 물리시간에 배웠던 기초 전기 용어 먼저 알아보는 것이 필요합니다.
전하(electric charge)
전하란 물체가 가지는 전기적 성질을 이야기합니다. 뒤에서 이야기할 모든 전기적 효과는 전하의 분포와 움직임 등의 성질에 따라 바뀌게 됩니다. 한 가지만 기억하세요.
모든 물체는 전하를 가지고 있고, +전하와 -전하를 가진다는 것을요.
전류(Current, 단위 A)
전류란 전하를 띤 입자들의 흐름을 이야기 하며, 우리가 실제 사용하는 전기는 전자(electron)의 흐름에 의해 발생합니다. 전류의 단위는 암페어(A)로, 전구에 불이 켜지고, TV에 전원이 들어오는 것도 이 전류 때문인데요.
이 전류는 배터리의 충전, 방전과도 연관이 있습니다. 리튬이온은 배터리 내부를 통해, 전자는 도선을 통해 +극에서 -극으로 흐르면 충전, -극에서 +극으로 흐르면 방전이 되는 것입니다.
또 전류를 더 많이 흐르게 하면 충전 속도나 방전 속도가 빨라지도록 할 수 있습니다.
여러분들의 스마트폰 배터리 용량을 확인하신 적 있으신가요?
3000mAh, 4000mAh 등과 같이 표시를 많이 하는데요. 바로 스마트폰 배터리 용량을 말할 때 사용하는 단위인 Ah(암페어아워)입니다. 시간당 전류량을 뜻하죠.
3000mAh인 배터리가 있다면 3000mA의 전류로 1시간 동안 방전시킬 수 있음을 뜻합니다.
전류는 그야말로 흐름이기 때문에 시간의 개념을 더해야 배터리에 담긴 에너지양을 계산할 수 있는 것입니다.
전압(Voltage, 단위 V)
전압이란 전류를 흐르게 하는 힘을 말하며 단위는 볼트(V)입니다. 220볼트, 110볼트 많이 들어 보셨죠? 그게 바로 전압을 지칭하는 말입니다.
볼트는 볼타 전지를 발명한 과학자 볼타의 이름을 따서 지어졌죠.
물이 흐르려면 양단의 높이차이나 수압차이가 필요하듯이, 전류가 흐르는 데에도 전류가 흐르는 양단의 전위차 즉 전압이 필요합니다.
이 전위차 또는 전압의 단위를 볼트(V)라고 합니다.
전력(electric power, 단위 W)
전자제품을 구입할 때, "소비전력이 얼마지? 몇 와트지?"라는 표현 많이 들어보셨을 겁니다. 전력의 단위가 와트(W)이기 때문이죠.
증기기관을 발명한 제임스 와트의 이름에서 유래한 와트(전력)는 전압(V)과 전류(A)를 곱해서 얻습니다. V x A = W 이렇게 되는 것이죠.
그리고 천 단위마다 KW(킬로와트), MW(메가와트), GW(기가와트)로 표기합니다.
전기차나 ESS의 전력 공급을 말할 때 와트로 표시하는 것을 자주 보실 수 있으실 겁니다. 와트 값을 알면 얼마나 많은 배터리가 사용 됐는지 짐작을 할 수 있죠!
전기 발생의 원리~!
배터리로 얻을 수 있는 것은 바로 ‘전기’죠. 그렇다면 전기는 무엇일까요? 배터리는 어떻게 해서 전기를 만들어 내는지 알아볼까요?
우선 전기의 기초를 살펴보도록 할게요. 전기는 대체 어떻게 흐르게 되는 걸까요?
우주에 존재하는 모든 물질은 원자라는 아주 작은 입자들로 이루어져 있습니다. 모든 원자의 가운데에는 양성자(+)와 중성자로 구성된 원자핵이 있고, 그 주변을 도는 음전하(-)를 가진 전자로 구성되어 있습니다.
원자핵 주변에서 움직이는 전자는 원자핵의 강력한 인력에 의해 끌려 그 궤도를 벗어나지 못합니다. 그러나 원자핵과 조금 떨어진 위치에서 움직이는 전자는 원자핵의 인력을 상대적으로 적게 받기 때문에 궤도를 벗어나 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이러한 전자들을 우리는 '자유전자'라고 부릅니다.
전력이 약한 전자는 외부 충격에 의해 원자를 벗어나면서 한 방향으로 진행하는 경향이 있습니다. 이런 자유전자의 이동이 전기를 발생시킵니다.
간단히 말해, 자유전자의 흐름이 전기의 흐름이라고 이해할 수 있습니다. 이 전기 흐름을 표현하는 말로 '전류'가 있습니다. 금속들 중에서는 구리, 금, 은 등이 자유전자를 보유하고 있어 '전류가 잘 흐른다'라고 표현되며, 이는 전기가 흐르기 쉽다는 특징을 나타냅니다.
전류의 방향에 따라 용도가 달라진다?
전기는 자유전자들이 원자핵에서 멀리 떨어져 원자핵의 인력을 덜 받아 이동함으로써 발생한다고 배웠습니다. 이런 전자의 이동을 전류라고 하며, 전류의 양은 암페어(A)로 표기됩니다.
이 전류에는 직류(DC, Direct Current)와 교류(AC, Alternating Current) 두 가지 종류가 있습니다. 직류는 전기가 일정한 방향으로 흐르는 것이고, 교류는 전기의 방향이 주기적으로 변화하는 것입니다.
전원이 되는 배터리에서는 주로 직류가 사용되고, 가정에서 사용하는 전원은 교류입니다. 배터리는 항상 일정한 방향으로 전류가 흐르는 특성을 가지고 있으며, 가정의 전원은 교류 발전기를 통해 생산됩니다.
직류와 교류가 어떻게 사용처가 구분되는지에 대한 흥미로운 예시로, 과거에 에디슨과 니콜라 테슬라 사이에서 벌어진 전기 전쟁을 살펴볼 수 있습니다. 에디슨은 직류를 주장하며 테슬라는 교류를 제안했습니다. 이 두 발명가는 전기 방식의 옳음을 놓고 경쟁을 벌였는데, 교류 방식이 선로 길이에 따른 전압 변동이 적어 장거리 송전에 적합하다는 이유로 현재까지 교류가 발전과 송전에 주로 사용되고 있습니다. 그러나 직류 방식은 여전히 가전제품이나 배터리 등에서 사용되고 있습니다.
또한, 배터리의 성능은 두 가지 주요 요소인 전압과 용량에 의해 결정됩니다. 배터리 내에서 전기는 음극에서 나온 음이온(전자)가 전해액을 통해 양극으로 이동하면서 발생합니다. 금속의 이온화 경향에 따라 전해액에 담긴 금속들을 통해 전기의 세기를 조절할 수 있습니다.
학창 시절에 이온화 경향 순서를 외우며 '칼카나마알아철니~'라고 이온화 경향 순서를 외워본 기억이 있을 것입니다. 이온화 경향은 금속이 액체와 접촉하면서 양이온(+)이 되려는 경향을 의미합니다. 이온화 경향이 크다는 것은 금속이 전자(-)를 잘 내어 놓아 반응성이 높다는 것을 의미합니다.
예를 들어, 이온화 경향이 큰 칼륨 금속과 철을 함께 물에 넣으면 칼륨이 철보다 먼저 전자를 내어놓고 산화(부식)되어, 이로써 철의 부식을 늦출 수 있습니다.
이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속을 조합하면 더 큰 전압의 배터리를 만들 수 있습니다. 이는 두 금속 간의 전자 이동이 높은 전압으로 나타나기 때문입니다. 이러한 원리를 활용하여 배터리의 전압을 효과적으로 조절할 수 있습니다.
배터리의 용량에 대해 간단히 알아보겠습니다.
배터리의 용량은 해당 배터리가 저장할 수 있는 전기 양을 나타내며, 보다 정확하게는 전자의 양입니다. 이 용량은 Ah(암페어아워)라는 단위로 표시됩니다. 앞서 전류에 대해 이야기할 때 언급했던 내용을 상기해 보세요.. 배터리의 용량이 1Ah라면 1A의 전류로 1시간 동안 사용할 수 있는 전기량을 의미합니다.
배터리가 저장할 수 있는 전기의 양은 전압에 용량을 곱한 값으로 계산되므로, 배터리의 전압과 용량은 해당 배터리의 성능과 관련된 중요한 특성이라고 할 수 있습니다.
리튬이온배터리는 충전과 방전을 여러 번 반복해서 사용할 수 있는 특징이 있습니다. 이 배터리에서는 음극의 리튬이 전해액을 통해 양극으로 이동하면서 전기가 생성됩니다. 또한, 배터리의 성능은 활물질에 따라 특성이 부여되며, 리튬이 얼마나 저장되는지에 따라 용량이 결정됩니다.
오늘은 배터리와 관련된 각종 용어들을 알아봤는데요.. 앞으로 배터리에 대해 이해하는데 조그마한 도움이라도 되셨기를 바랍니다.
<출처>
삼성SDI 공식 사이트
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