포스테키안

2020 가을호 / Hello Nobel

2020-10-20 185

리튬 – 이온 배터리 

  1. 2019 노벨 화학상 
  2. M. Stanley Whittingham x John B. Goodenough x Yoshino Akira 

 

2019년 노벨 화학상은 스탠리 위팅엄 교수(뉴욕 빙엄턴대), 존 구디너프 교수(텍사스대), 요시노 아키라 교수(메이조대)가 수상했습니다. 이들은 휴대전화부터 랩톱, 노트북 컴퓨터와 전기차 등의 기기에 꼭 필요한 리튬-이온 배터리를 개발했습니다. 미국 화학협회장 보니 카펜티어는 “리튬-이온 배터리는 화학이 인간의 삶을 변화시킬 수 있다는 좋은 예시이며, 우리의 삶의 패턴을 크게 바꾼 이 발명품이 노벨상 수여로 인정받게 되어서 매우 흡족하다.”라고 소감을 밝혔습니다.

1800년 알레산드로 볼타에 의해 최초의 전지가 발명된 이후, 전지는 구성과 성능 면에서 비약적인 발전을 했습니다. 이러한 전지의 발전은 개인이 손 안에 컴퓨터를 하나씩 갖게 해준 휴대전화 및 휴대용 전자기기들의 발전으로 이어졌습니다. 요즘 상당히 이슈가 되고 있는 전기차의 발전 또한 리튬-이온 배터리 없이는 불가능했던 결과입니다. 그뿐만 아니라 태양광, 풍력에너지 등 신재생 에너지 또한 리튬-이온 배터리에 저장하여 사용할 수 있게 되어 환경 문제 해결에도 기여하여 노벨상 수상의 큰 이유가 되었다고 합니다. 

최초의 화학 전지는 반응성이 다른 두 금속을 전해질 용액에 넣고 도선으로 연결한 형태였습니다. 반응성이 큰 금속이 산화되어 전자를 내놓고 전자가 도선을 따라 반응성이 작은 금속으로 이동하면서 전류가 흐르는 원리였죠. 여기서 반응성이 큰 금속은 음극(anode)이 되고, 반응성이 작은 금속은 양극(cathode)이 됩니다. 볼타는 동과 아연 디스크 사이에 소금에 적신 천을 연결해 전해질로 사용해서 전류가 흐르도록 전지를 설계했습니다. 

하지만 그 후로 배터리는 크게 주목을 받지 못했습니다. 납-산 배터리나 니켈- 카드뮴 배터리 등 여러 물질을 사용한 배터리가 개발됐지만, 굳이 배터리가 없어도 화석 연료만으로 에너지 공급이 충분히 가능했기 때문이죠. 그러다 1973년에 오일 쇼크가 발생하고, 화석 연료에만 의존하면 문제가 발생할 것을 깨달았습니다. 이때부터 스탠리 위팅엄 박사는 에너지를 효율적으로 저장할 방법과 배터리에 대한 연구를 시작하게 되었답니다. 그는 이미 리튬이 음극으로 활용하기에 좋은 소재라는 것을 예상하고 있었고, 리튬에서 흘러나온 양극 소재를 탐구했죠. 여기서 최초로 티타늄 황산화물을 발견했고, 전자들을 잘 저장하는 티타늄 황산화물의 특성 덕분에 최초의 리튬-이온 배터리 제작에 성공했습니다. 리튬-이온 배터리는 기존의 배터리에 비해 용량도 10배 가량 크고, 특별한 관리도 필요하지 않았습니다. 하지만 위팅엄의 배터리는 문제점이 있었습니다. 반복적으로 충전과 방전이 진행되면 리튬 금속이 흘러나오기도 하고, 폭발의 위험성도 있었죠. 

이후 존 구디너프 교수는 코발트 산화물을 양극으로 사용, 위팅엄의 배터리보다 두 배의 전압을 가짐과 동시에 안전성과 내구성을 가지는 배터리를 개발했습니다. 코발트 산화물의 구조가 티타늄 황산화물과 비슷한 분자 구조를 가지는 것을 발견하고 이를 대체재로 사용했더니, 기존의 문제로 지적되던 리튬이 새는 현상도 해결함과 더불어 전압 또한 4V로 2배 높이게 됩니다. 

이후 요시노 아키라 교수는 기존 음극에 사용하던 순도 100% 리튬 금속을 탄소 소재의 전극으로 감싸 대체하여 훨씬 안전하고 효율적인 배터리를 만드는 데 성공합니다. 이러한 연구의 성과를 인정받은 세 교수는 2019 노벨 화학상을 받게 됩니다. 

https://www.sciencenews.org

  1. 스탠리 위팅엄 교수 
  2. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/whittingham/facts/ 
  3. 존 구디너프 교수 
  4. https://news.uchicago.edu/story/john-b-goodenough-shares-nobel-prize-invention-lithium-ion-battery 
  5. 요시노 아키라 교수
  6.  https://ko.wikipedia.org/wiki/요시노_아키라#/media/파일:Akira_Yoshino_cropped_2_Akira_Yoshino_201911.jpg 

이 이후로 배터리는 대량 생산에 들어가고, 현재 우리가 사용하는 모든 전자기기에 활용되어 스마트폰, 노트북 등의 보급에 아주 크게 기여하게 됩니다. 하지만 이렇게 완벽해 보이는 리튬-이온 배터리도 아직 해결해야 할 문제가 많습니다. 충전과 방전을 계속해서 반복하면 성능이 저하되고, 한창 논란이 되었던 삼성 갤럭시 노트7 스마트폰 사태에서도 볼 수 있듯 폭발의 위험성이 아직 남아있습니다. 또, 발전하는 컴퓨터 기술의 속도를 배터리 기술이 따라오지 못한다는 문제도 적지 않게 제기되고 있습니다. 앞에서는 친환경 에너지 개발에 큰 도움이 되었다고 했지만, 아이러니하게도 전 세계에서 리튬이 가장 많이 생산되는 남미의 염전 근방은 오염되고 있다는 문제점 또한 해결해야 할 것입니다. 포스테키안 구독자 여러분이 이 문제를 말끔히 해결하여 노벨상을 받는 그 날을 기다리고 있겠습니다! 

 

알리미 25기 신소재공학과 19학번 김 태 호