새로운 전기 혁명을 주도하고 있는 2차 전지 시장에 용량과 수명을 강화한 새로운 배터리들이 속속 개발되고 있다. 사진은 자동차에 장착된 닛산 리튬이온전지. ⓒWikipedia

에너지 밀도가 높아 소형·경량화가 가능하고, 사용 시간이 길며, 용도에 따라 형상을 변경할 수 있는 등 장점이 많아 그 사용 범위가 급속히 확대되고 있는 중이다. 그러나 1979년 이 전지가 개발될 당시 학문적인 호기심 외에 특별한 관심을 갖고 있었던 사람은 거의 없었다.

그러나 1991년에 소니가 세계 최초로 리튬 이온 전지를 상품화하고, 2005년에는 고성능 이온 전지 ‘넥세리온(Nexelion)’을 판매하하면서 상황이 달라졌다. 직경 14mm, 길이 43mm, 원통형 사이즈의 이 고성능 전지는 세상을 놀라게 하기에 충분했다.

그리고 지금 과학자들은 리튬이온전지의 에너지 밀도를 계속 높이고 있는 중이다. 효율이 높아지면서 용도도 다양해지고 있다. 노트북, 스마트폰은 물론 전기자동차에 이르기까지 다양하게 활용되고 있다.

특히 테슬라의 ‘모델 S’, GM의 ‘셰비 볼트(Chevy Bolt)’ 등의 자동차회사들은 리튬이온전지 차를 출시하고 있는 중이다. 문제는 가격이다. 그동안 생산 비용을 꾸준히 줄여왔지만 휘발유, 천연가스 등의 에너지와 경쟁하기 위해서는 가격을 더 낮춰야 한다.

관계자들은 제품에 따라 리튬이온전지 가격을 50~80%까지 낮출 경우 기존 에너지들과 경쟁할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 지금과 같은 추세로 리튬이온전지가 진화할 경우 에너지 시장을 석권할 가능성이 적지 않다는 분석이다.

배터리는 크게 양·음극, 두 극을 분리하는 분리막, 내부를 채우는 전해질로 구성돼 있다. 리튬이차전지의 경우 양극은 리튬코발트산화물, 음극은 흑연을 각각 전극물질로 사용하고 있다. 리튬이온이 음극에서 나와 양극으로 흡수된다.


리튬 대신 마그네슘·칼슘·아연전지 개발 

이 현상을 인터컬레이션(intercalation)이라고 하는데 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자· 원자와 이온이 삽입되는 현상을 말한다. 기술 컨설턴트인 그렉 사텔(Greg Satell) 박사는 이 인터컬레이션 과정에 전지 기능을 저하시키는 요인이 발생하고 있다고 설명하고 있다.

두 번째 어려움은 에너지 밀도다. 리튬이온전지를 자동차에 설치할 경우 대용량의 전력을 축적해야 하는데 현재 전기차에 투입되는 리튬이온전지의 경우 경제성을 갖추기에는 아직 미흡하다는 지적이다.

리튬 역시 가격 상승요인이다. 리튬은 지구상의 지각에 0.002%밖에 존재하지 않는 희귀 금속이다. 리튬이온전지를 구성하는데 필요한 코발트와 구리 역시 희귀하며 주로 남아프리카와 남미에서만 생산하기 때문에 자원 확보에 불안감이 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 과학자들은 생산 비용을 줄이기 위한 혁신적인 방안을 찾고 있다. 첫 번째 시도는 핵심 재료인 리튬을 다른 물질로 교체하는 일이다. 현재 리튬보다 가격이 훨씬 낮고 에너지 고밀도 용량을 갖춘 마그네슘, 칼슘, 아연을 사용하는 방안을 모색하고 있다.

이 실험이 성공을 거둘 경우 충전해서 쓰는 2차 전지 시장에 큰 변화가 예고된다. 두 번째 시도는 문제가 되고 있는 인터컬레이션을 다른 방식으로 대체하는 일이다. 과학자들은 지금 리튬에 황을 혼합한 리튬설퍼전지(Lithium Sulfur batteries)를 개발하고 있는 중이다.

이 전지의 용량은 기존의 리튬이온전지와 비교해 월등한 것으로 나타나고 있다. 세 번째 대안은 유체유동 배터리(liquid flow batteries)다. 이 전지는 무겁고 크기 때문에 자동차용으로는 부적합하다. 그러나 용량에 있어서는 엄청난 잠재력을 지니고 있다.

고정된 상태에서 많은 용량의 전지를 축적해 사용할 경우 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망 구축에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 배터리가 처음 등장한 것은 1800년이다.

이탈리아의 물리학자 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta)가 ‘볼타의 열전기더미(熱電推)’를 고안한 다음 화학작용에 의한 전류를 만들었는데 이것이 최초의 전지였다. 200여년이 지난 지금 배터리가 전력 시장 핵심으로 떠오르고 있다. 기존의 전력 산업 판도를 바꾸어놓고 있는 중이다.


출처 - 사이언스타임즈 이강봉 객원기자

리튬이온전지의 혁명으로 효율이 점차 높아졌지만 여럿 단점들이 나옴에 따라 이를 대체할

새로운 기술들을 모색하고 있는 것 같습니다. 특히 리튬은 지구상에 얼마 없어 지구상에

많이 분포하면서도 에너지 밀도를 높일 수 있는 방향으로 기술을 발전시켜 나가는 것

같습니다.