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리튬 이온 배터리가 화학 노벨상을 수상한 이유
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리튬 이온 배터리가 화학 노벨상을 수상한 이유
  • 김민철 기자
  • 승인 2019.10.17 17:07
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그들이 개발한 기술은 '새로운 재충전 세계'의 기초
1970년대 초 휘팅엄은 최초의 작동 리튬배터리를 생산
구디너프는 더 높은 잠재성을 가진 더 강력한 배터리를 생산
요시노, 상업적 사용적합한 리튬 이온 배터리 처음 제작
앞으로 주요 과제는 에너지 출력, 안전 및 지속 가능성
리튬 이온 배터리가 화학 노벨상을 수상한 이유[사진 출처=화학세계]

'리튬이온 전지 개발'로 존 구디너프(John B Goodenough), 요시노 아키라(Akira Yoshino), 스탠리 위팅엄(M Stanley Whittingham)이 2019년 노벨 화학상을 수상했다. 

화학세계에 따르면 구디너프, 요시노, 위팅엄은 리튬이온 전지의 선구자다. 노벨 위원회가 수상 발표 때 설명했듯이, 그들이 개발한 기술은 '우리의 새로운 재충전 세계'의 기초이다. 리튬이온 배터리는 가볍고 에너지 밀도가 높으며 재충전하여 수천 번 재사용할 수 있다.

이것은 맥박 조정기, 노트북, 휴대 전화, 전기 자동차 등 많은 현대식 휴대용 전자기기를 가능하게 한 이상적인 동력원이 되었다. 그것들은 또한 풍력이나 태양열과 같은 재생 가능한 자원에 의해 생산되는 에너지를 저장하기 위해 더 큰 규모로 사용될 수 있어 화석 연료에 대한 우리의 의존도를 줄이는데 도움을 줄 수 있다.

리튬 이온 전지는 휴대폰, 노트북 등 디지털 기기에 두루 쓰인다. [출처: (cc) solomon203 at wikimedia.org(좌) Kristoferb at wikimedia.org (우)]
리튬 이온 전지는 휴대폰, 노트북 등 디지털 기기에 두루 쓰인다. [사진 출처: (cc) solomon203 at wikimedia.org(좌) Kristoferb at wikimedia.org (우)]

리튬이온 배터리는 어떻게 작동할까?

모든 배터리와 마찬가지로 리튬 이온 배터리는 양극에서 음극으로 흐르는 전자 전류를 생성하여 작동한다. 이는 좋은 양극 물질이 전자를 쉽게 방출하는 물질이라는 것을 의미하며, 모든 요소 중에서 리튬은 업계에서 가장 우수하다.

현대 배터리의 양극과 음극은 모두 층간 틈새에 리튬이온을 저장(교차)할 수 있는 층으로 된 물질로 되어 있다. 배터리를 사용 중일 때 전자는 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 이동하며 배터리가 연결된 모든 장치에 전원을 공급하는데 필요한 전류를 발생시킨다. 동시에 양성 리튬이온은 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하는데, 여기서 다시 저장된다. 배터리가 재충전되면 전자와 리튬 이온이 다시 양극으로 흐르면서 역 과정이 일어난다.

출처 : © Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences노벨상 수상자 3 명은 요시노의 디자인을 기반으로 한 최초의 상용 배터리가 1990 년대에 시장에 출시 될 때까지 초기 리튬 이온 배터리에 대한 일련의 개선을 도입했습니다. 리튬 이온 배터리가없는 수명은 매우 다를 수 있습니다
노벨상 수상자 3명은 요시노의 디자인을 기반으로 한 최초의 상용 배터리가 1990 년대에 시장에 출시 될 때까지 초기 리튬 이온 배터리에 대한 일련의 개선을 도입했다. 리튬 이온 배터리가없는 수명은 매우 다를 수 있다[사진 출처 : © Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences]

이 접근방식의 주요 장점은 전극을 점차 파괴할 수 있는 반응에 의존하지 않고 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온을 앞뒤로 수축시킴으로써 배터리가 효과적으로 작동한다는 것이다. 이는 배터리를 충전하고 재충전할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 초기 리튬 기반 배터리는 여러 기술적, 화학적 과제를 극복해야 했고, 결국 우리에게 이제 유비쿼터스 리튬이온 셀을 제공하게 되었다.

새로운 노벨상 수상자들은 무엇을 했는가?

1970년대 초 위팅엄은 최초로 리튬의 잠재력을 양극재로서 이용, 최초의 작동 리튬배터리를 생산했다. 이 배터리는 음극의 층재로서 티타늄 이황화물을 사용하였다. 그러나 양극은 금속 리튬으로 만들어졌으며 사용 중 양극에서 리튬의 힘줄이 튀어나와 결국 음극에 도달하여 장치에 치명적인 결과를 초래하기 때문에 단락이 발생하기 쉬웠다. 이러한 고장은 화재와 심지어 폭발로 이어질 수 있다. 

출처 : © Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences초기 리튬 이온 배터리는 양극 재료로 리튬 금속에 의존하여 셀을 단락시키는 덴 드라이트 (또는 수염) 형성
초기 리튬 이온 배터리는 양극 재료로 리튬 금속에 의존하여 셀을 단락시키는 덴 드라이트 형성[이미지 출처 : © Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences]

위팅엄의 아이디어를 발전시킨 구디너프는 더 높은 잠재성을 가진 더 나은 음극 소재를 찾기 위해 노력해 더 강력한 배터리를 생산했다. 그는 배터리가 충전된 상태에서 만들어질 필요가 없고 나중에 충전할 수 있다는 것을 깨달았다. 이것은 그가 배터리의 전압을 두 배로 증가시키는 새로운 음극 물질인 LixCoO2를 발견하는 데 도움을 주었고, 이 물질들은 실제 어플리케이션에 훨씬 더 실용적이었다. 

그러나 그전에 금속 양극 문제는 여전히 해결해야 할 필요가 있었다. 1986년, 요시노는 양극에 석유 코크스를 기반으로 한 탄소성 물질을 사용했다. 그가 개발한 배터리는 용량이 크고 안정적이어서 성능이 저하되기 전에 수백 번 충전하고 충전할 수 있었다. 상업적으로 사용하기에 적합한 리튬 이온 배터리가 처음 제작되었다.

리튬 이온 배터리가 중요한 이유는 무엇일까?

이것은 단순한 화학작용이 아니라 많은 사람들이 기후 변화를 완화하고 에너지 혼합에서 화석 연료를 대체하는데 핵심적인 기술이다. 전기 자동차 산업의 성장과 함께, 기업들은 더 강력하고, 더 안전하며, 가벼운 에너지 저장 재료를 만들고자 하는 배터리 기술에 엄청난 투자가 이어지고 있다.

이 배터리의 개발은 휴대용 전자제품의 소형화에 필수적이며, 우리 중 극소수만이 휴대용 전자제품을 주머니에 넣고 다니지 않고 집을 나서는 것은 물론, 심지어 가정에 전력을 공급하는 방식에 혁명을 일으킬 수도 있는 것이다.

전기 자동차 산업의 성장과 함께 배터리 기술에 막대한 투자가 이루어지고 있으며, 회사는 보다 강력하고 안전하며 가벼운 에너지 저장 재료를 만들고 싶어한다. 이 배터리의 개발은 휴대용 전자기기의 소형화에 기반이 되었다.

수년 동안 리튬이온 전지 개발업자들이 노벨상을 받을 것을 요구되어왔으며, 구디너프의 이름은 지속해서 노벨상 후보로 예측되었다. 그는 이제 역대 노벨상 수상자 중 최고령자다.

배터리 산업이 직면한 주요 과제는 에너지 출력, 안전 및 지속 가능성이라고 한다. 배터리 연구자들은 리튬을 다른 금속으로 대체하는 것을 검토하기 시작했다. 나트륨 이온 배터리는 아마도 더 지속 가능한 미래로 이어질 수 있지만 아직 이 배터리는 리튬 기반의 성능을 따라잡을 수 없다고 한다. 

또 다른 주요 과제는 전극에 사용할 대체 재료를 찾는 것이다. 코발트 가격은 배터리에 사용되기 때문에 최근 몇 년 동안 급격히 올랐다. 이 금속의 채굴은 또한 어린이 노동, 노예제도 그리고 불안정한 지역의 갈등을 부채질하는 것과 관련이 있다. 그러나 코발트는 콩고민주공화국이 세계 공급량의 3분의 2를 생산하는 등 소수의 국가에서만 발견된다.

Cobalt,  27Co (코발트)

코발트는 기호 Co와 원자 번호 27을 갖는 화학 원소다. 니켈과 마찬가지로 코발트는 지구 표면에서 화학적으로 결합된 형태로만 발견되며, 천연 유성 철 합금에서 발견되는 작은 침전물을 절약 할 수 있다. 환원성 제련에 의해 생성 된 자유 원소 는 단단하고 광택있는 은회색 금속이다.
오늘날 일부 코발트는 코발 타이트 (Co As S )와 같은 여러 금속성 광석 중 하나에서 생산 된다. 그러나 원소는 더 일반적으로 구리 및 니켈 채광의 부산물로 생산된다 . 구리 벨트 에서 민주당 콩고 공화국 (DRC) 및 잠비아 글로벌 코발트 생산의 대부분을 산출한다.
[출처=Wikipedia]

액체 전해질을 교체하는 것은 배터리 연구원들로부터 많은 관심을 받고 있는 또 다른 분야다. 이러한 전해질은 전화 배터리 화재와 비행기 접지 등과 관련된 논란의 중심에 있었다. 가능한 해결책으로는 고체 전해질 또는 배터리 케이스에 내화성 화학물질을 첨가하는 것이 있다. 리튬-공기 배터리는 이론적으로 기존 리튬-이온 배터리의 몇 배에 달하는 에너지 출력을 가진 또 다른 유망한 기술로 알려졌다.

가볍고 컴팩트한 배터리는 현대 기술의 기반이 되었지만 환경 영향을 개선하기 위해 계속 개발되고 있다.

[케미컬뉴스=김민철 기자]


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