이토록 쓸모 있는 리튬이온배터리 이야기

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.

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

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.