전지는 번개와 연못이라는 한자어에서 유래된 이름처럼, 전기를 담아두는 그릇과 같은 역할을 합니다. 18세기 말 갈바니와 볼타의 실험을 통해 금속과 용액의 조합으로 전기가 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다. 볼타는 아연과 구리, 그리고 묽은 황산 용액을 이용해 최초의 전지를 만들었고, 이는 1차 전지의 시초가 되었습니다. 1차 전지는 한 번의 반응만으로 전기를 생산하며, 사용 후에는 효율이 떨어져 버려지는 한계가 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 전극과 용액을 분리하고, 전자의 흐름을 조절하는 방식이 고안되면서 충전과 방전이 가능한 2차 전지의 개념이 등장하게 됩니다.

19세기 후반에서 20세기 초, 다양한 금속의 성질이 밝혀지면서 리튬이 전지 소재로 주목받기 시작했습니다. 리튬은 원래 우울증 치료제로도 사용되었으나, 1970년대 휘팅엄 교수에 의해 전지에 적용되는 실험이 이루어졌습니다. 리튬과 이황화티타늄, 그리고 전해질과 분리막을 조합하여 2V에 가까운 전압을 얻을 수 있었고, 이는 금속 간 전위 차이가 클수록 더 큰 에너지를 얻을 수 있다는 원리를 바탕으로 한 것이었습니다. 이후 구디너프 교수는 리튬코발트 산화물을 이용해 더 높은 전압의 전지를 개발하였고, 1970~80년대 석유 파동을 계기로 에너지 자립에 대한 관심이 높아지면서 2차 전지와 태양광 전지 연구가 활발해졌습니다.

일본에서는 리튬 이온 전지를 소형 전자기기에 적용하는 방향으로 연구가 진행되었습니다. 요시노 박사는 리튬 대신 흑연을 음극에 사용하고, 리튬코발트 산화물을 양극에 적용하여 리튬 이온 전지를 개발했습니다. 1991년 소니가 캠코더에 리튬 이온 배터리를 상용화하면서, 전자제품 시장에 혁신이 일어났습니다. 이후 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북, 전기차 등 다양한 분야에 널리 사용되며, 생산 공정의 발전과 함께 가격도 크게 낮아졌습니다. 그러나 리튬의 폭발성과 충방전 과정에서 발생하는 석출 문제 등 안전성 이슈는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있습니다.

리튬의 폭발성은 원자 구조와 전자의 이온화 경향에서 비롯됩니다.

리튬은 전자가 적어 반응성이 매우 높으며, 물과 만나면 격렬한 폭발을 일으킵니다. 최근 연구에서는 리튬이 물과 반응할 때 전자를 내놓으며 수소 기체가 발생하고, 이 과정에서 플러스 전하를 띤 리튬 이온들이 좁은 공간에서 서로 밀어내며 폭발이 일어난다는 사실이 밝혀졌습니다. 전기차 배터리 화재의 경우, 리튬의 높은 발화점과 보호막 구조로 인해 진화가 어렵고, 이를 해결하기 위한 소방 기술 개발이 활발히 이루어지고 있습니다.

현재 리튬 이온 배터리의 가장 큰 이슈는 안전성과 효율성의 개선입니다. 전해질을 액체에서 고체로 바꾸는 '전고체 배터리'가 차세대 기술로 주목받고 있습니다. 고체 전해질을 사용하면 분리막이 필요 없어지고, 크기와 안정성이 향상될 수 있습니다. 하지만 고체 내에서 이온의 이동이 어려워 효율 저하 문제가 있으며, 국내외 연구진들이 이를 극복하기 위한 다양한 시도를 하고 있습니다. 최근에는 국내 기업들이 전고체 배터리 개발에 성공적인 연구 결과를 발표하며, 상용화에 한 걸음 더 다가서고 있습니다.