2의 반도체를 꿈꾸고 있는 배터리에 대한 관심이 날로 커지면서 관련 기사들이 쏟아지고 있죠.
그런데 여러분들 수 많은 보도자료에 포함된 각종 용어들 다 이해하고 계신가요?
듣고 또 들어도 어려운 전기공학 용어들. 오늘 저 배프로가 가능한 쉽고 간략하게 정리해 드리겠습니다.
볼트, 암페어, 와트, 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. 한가지만 기억하세요.
모든 물체는 전하를 가지고 있고, +전하와 -전하를 가진다는 것을요.
전류(Current, 단위 A)
전류란 전하의 흐름을 이야기 하며 단위는 암페어(A) 입니다. 전구에 불이 켜지고, TV에 전원이 들어오는 것도 이 전류라는 것이 흐르기 때문인데요.
이 전류의 흐름은 배터리의 충전, 방전과도 연관이 있습니다. 전류가 +극에서 -극으로 흐르면 방전, -극에서 +극으로 흐르면 충전이 되는 것입니다.
또 전류를 더 많이 흐르게 하면 충전 속도나 방전 속도가 빨라 지도록 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 대문에 시간의 개념을 더해야 배터리에 담긴 에너지량을 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.
[원자의 구조]
원자핵 근처에서 돌고 있는 전자는 원자핵의 강력한 인력으로 그 주변에서 벗어나지 못하는데요. 조금 떨어진 곳에서 돌고 있는 전자는 원자핵의 인력을 덜 받기 때문에 궤도에서 벗어나 자유롭게 이동합니다. 이것이 '자유전자'입니다.
[원자핵 주변을 도는 전자와 궤도를 벗어난 자유전자]
전기력이 약한 전자는 외부의 충격이 있으면 원자 밖으로 빠져 나와 무리를 지으며 한쪽 방향으로 움직이는데요. 이러한 전자의 흐름으로 전기가 생겨나게 됩니다.
즉, 자유전자의 이동이 전기가 흐른다고 이야기 하는 것입니다. 전기가 흐른다는 것을 한 단어로 표현하면 바로 전류입니다. 구리, 금, 은 등의 금속은 이러한 자유전자를 갖고 있어 '전기가 흐르기 쉽다' 같은 말로 '전류가 잘 흐른다'는 특징이 있어요.
[자유전자의 이동으로 전류 발생]
전류의 방향에 따라 용도가 달라진다?!
전기는 원자핵에서 멀리 떨어져 원자핵의 인력을 덜 받는 자유전자들의 이동으로 발생한다고 배웠는데요. 이러한 전자의 이동을 전류라고 합니다. 전류의 양을 나타내는 단위는 암페어(A)라고 표기한다는 사실, 다들 잊지 않으셨죠?
이러한 전류에는 직류(DC, Direct Current)와 교류(AC, Alternating Current)가 있습니다. 전류의 +, - 방향이 일정하게 한 방향으로 흘러가는 전기를 직류라고 하고, 전류의 방향이 한 번은 음의 방향으로, 한 번은 양의 방향으로 흐르는 등 크기와 방향에 변화가 일어나는 전기를 교류라고 부릅니다.
대표적으로 배터리를 통해 흐르는 전기가 직류이고요, 가정에서 사용하는 전원은 교류랍니다. 배터리는 배터리 내 반응이 항상 일정한 방향으로 일어나고요, 가정의 전원은 교류발전기를 통해 발전되고 있어요.
그렇다면 직류와 교류는 어떻게 사용처가 구분될까요? 재밌는 옛날 이야기를 통해 알아볼게요
직류방식은 미국의 발명왕 에디슨에 의해 제시되었고, 교류방식은 발명가이자 과학자 니콜라 테슬라에 의해 제시되었는데요. 두 발명가는 서로가 제시한 전기방식이 옳다며 경쟁을 했다고 해요. 하지만 직류는 선로 길이에 따라 전압이 변동될 수 있어 장거리 송전에 맞지 않았어요. 테슬라는 변압기로 전압을 간단하게 높이거나 내릴 수 있는 교류 방식을 제안했고, 현재까지도 발전과 송전은 교류를 사용하고 있습니다. 하지만 직류 방식은 여전히 가전제품, 배터리 등에 활용되고 있죠.
배터리의 성능을 결정하는 두 가지 요소, 전압과 용량
배터리 내에서 전기는 기본적으로 음극에서 나온 음이온(전자)가 전해액을 타고 양극으로 이동하면서 발생하게 되는데요. 금속이 녹아 드는 정도는 이온화 경향에 따라
정해지며, 이온화 경향이 다른 금속들을 조합해 전해액에 담금으로써 전기의 세기를 조정할 수 있습니다.
여러분도 학창시절을 돌이켜 보면 '칼카나마알아철니~'라며 이온화 경향 순서를 외워본 기억이 날 수도 있을 텐데요. 이온화 경향은 금속이 액체와 접촉하였을 때 양이온(+)이 되려고 하는 경향입니다. 이온화 경향이 크다는 것은 그만큼 이온화가 잘 된다는 의미로 전자(-)를 잘 내어 놓아 반응성이 크다는 의미입니다.
예를 들어 이온화 경향이 큰 칼륨금속과 철을 같이 물에 넣으면 칼륨이 철보다 먼저 전자를 내어놓고 산화(부식)되므로 철의 부식을 늦출 수 있죠.
이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속을 조합하면 보다 큰 전압의 배터리를 만들 수 있답니다.
배터리의 용량도 간단히 알아 볼까요.
배터리 용량이란 배터리가 저장할 수 있는 전기의 양, 더욱 정확히 말하자면 전자의 양을 뜻합니다. 단위는 Ah(암페어아워)입니다. 앞서 전류에 대해 설명하면서 말씀을 드렸죠. 만약에 배터리 용량이 1Ah라면 1A의 전류로 1시간동안 사용할 수 있는 배터리 용량을 뜻합니다.
배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것이므로 배터리의 전압과 용량은 배터리의 성능과 관련한 중요한 요소라고 할 수 있습니다.
충전과 방전을 통해 여러 번 반복해서 사용할 수 있는 리튬이온배터리의 경우, 음극의 리튬이 전해액을 지나 양극으로 이동하면서 전기가 발생하며, 활물질에 따라 특성이 부여된다는 특징이 있습니다. 리튬이온배터리는 활물질에 리튬이 얼마나 저장되느냐가 용량을 결정합니다.
오늘은 배터리와 관련된 각종 용어들을 알아 봤는데요. 앞으로 배터리에 대해 이해하는데 조그마한 도움이라도 되셨기를 바랍니다.
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