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지속가능한 미래를 충전하는 배터리

인류가 내연기관에 올라타 20세기를 질주해 왔다면, 21세기의 지속가능한 미래를 활주할 수 있는 기술은 배터리에 있다.

전기차 시대가 막 열리고 있는 지금, 조만간 중고 전기차의 거래가 또 일상의 큰 변화를 가져올 것이다. 전기차 배터리 팩은 10년이 지나도 85~90%의 성능을 유지한다고 한다. 자원이 가득 투입된 그 배터리 팩을 재활용을 위해 분해하느냐, 중고로 다른 소비자에게 넘기느냐(그렇다면 잔여 성능 보증을 어떻게 하느냐), 에너지 저장장치(ESS) 설비로 넘겨 재생에너지를 담는 발전소 역할을 맡기느냐. 과학을 넘어 우리 사회의 정책적 합의가 필요한 분야들이 많다. 수년 안에 반드시 사회적 이슈가 될 기술적 문제들을 ‘선행학습’하는 용도로도 큰 도움이 되는 내용들이다.

인간 생체에서 벌어지는 에너지 대사를 응용해 생물학적 소재로 배터리를 만드는 공상과학 같은 혁신적 실험까지 소개하는 강연들이, 매우 전문적이지만 대단히 흥미진진하다. 또한 첨단 배터리 분야에서 이미 중요한 업적을 이룬 한국 학자들의 활약상도 이 책에서 확인할 수 있다.

전자시계 돌리던 배터리,
비행기를 날리고 원전급 발전소를 대체하다

전기차 ‘테슬라’가 시대의 키워드가 된 지금, 지난해 유난히 뜨거웠던 주식열풍 속에서 ‘배터리’에 대한 일반 투자자들의 기대와 이해 수준은 대단히 높아졌다. 누구나 손에 쥔 스마트폰, 이젠 꽤 흔하게 몰고 다니는 전기차 속 배터리에 대한 열광적 관심은 주식시장을 넘어 더 폭발적으로 확장되는 편이 좋다. 배터리는 자원의 문제, 환경의 문제, 미래 문명의 문제를 집약적으로 담고 있기 때문이다.

1970년대 전자시계용 소형 배터리에서 시작된 리튬이온배터리는 이제 온 세상을 지배하는 기술이 됐다. 전자시계나 장난감을 돌리던 배터리가 50년 만에 온 세상을 움직이는 동력원이 된 것이다. 전기차를 넘어 단거리 여객기도 날릴 수 있게 됐으며, 원자력 발전소 하나를 대체할 만한 대규모 에너지 저장장치(ESS)까지 현실이 됐다.

2018년 고(故) 최종현 SK 선대 회장의 20주기를 맞아 출범한 최종현학술원의 과학혁신 국제 심포지엄은, 핵심 테크놀로지 분야의 세계적 석학들이 최신 연구 동향을 소개하고 미래 전망을 토론하는 자리다. 특히 이번엔 리튬이온배터리 연구로 2019년 노벨화학상을 수상한 M. 스탠리 위팅엄 교수가 강연과 토론에 참가해 자리를 빛냈다. 코로나 시국 중에도 지난 2년에 걸쳐 배터리의 미래를 논한 강연과 토론이 한 권의 책으로 묶여 나왔다.

늘 경험하고 있지만,
잘 몰랐던 배터리 이야기

리튬이온배터리, 전고체 배터리, 양극재ㆍ음극재 등의 전문용어가 이젠 일반인들에게도 그다지 낯설지 않은데, 배터리 관련주에 대한 뜨거운 관심 때문이다. 저자들은 일반인들도 어디선가 들어본 이야기를 보다 전문적으로, 그러나 비교적 쉽게 풀어준다.

배터리는 재생에너지 생태계에 필수적인 기술이지만, 배터리를 만드는 원료들도 역시 자원의 한계에 봉착해 있다. 현재 리튬이온배터리는 200GWh(기가와트시) 정도가 생산되는데, 2028년에는 1TWh(테라와트시) 규모가 생산될 것으로 예측한다. 이 정도의 리튬이온배터리를 생산하려면 니켈이든 코발트든 금속이 100만 톤은 필요한데, 니켈은 1년에 220만 톤 정도밖에 생산되지 않는다. 배터리 산업은 스테인리스강에 니켈을 많이 쓰는 건설업계와 자원 쟁탈전을 벌여야 하는 구조다. 새로운 배터리 소재가 계속해서 연구되는 절실한 이유다.

몇 년 전 배터리 폭발 사고가 처음으로 문제되기 시작했을 때, “배터리가 왜 터져? 폭탄이야?”하는 정도의 이해만 갖고 있던 이들이 많았다. 액체 전해질 배터리의 기본 원리와 구조를 알고 나면, 배터리 안전 문제가 무엇인지, 전고체 배터리가 주목받는 이유와 그 한계는 무엇인지까지 잘 이해하게 된다. 더 나아가 배터리 전극 팽창을 막는 ‘바인더’ 기술이 무엇인지 등 산업 전반의 주요 관심사를 알게 되면, 우리가 매일같이 일상적으로 충전하고 있는 배터리 속에 사실상 우리의 ‘미래’가 담겨 있다는 것을 깨닫게 된다.

지속가능한 미래를 충전하는 배터리

인류가 내연기관에 올라타 20세기를 질주해 왔다면, 21세기의 지속가능한 미래를 활주할 수 있는 기술은 배터리에 있다.

전기차 시대가 막 열리고 있는 지금, 조만간 중고 전기차의 거래가 또 일상의 큰 변화를 가져올 것이다. 전기차 배터리 팩은 10년이 지나도 85~90%의 성능을 유지한다고 한다. 자원이 가득 투입된 그 배터리 팩을 재활용을 위해 분해하느냐, 중고로 다른 소비자에게 넘기느냐(그렇다면 잔여 성능 보증을 어떻게 하느냐), 에너지 저장장치(ESS) 설비로 넘겨 재생에너지를 담는 발전소 역할을 맡기느냐. 과학을 넘어 우리 사회의 정책적 합의가 필요한 분야들이 많다. 수년 안에 반드시 사회적 이슈가 될 기술적 문제들을 ‘선행학습’하는 용도로도 큰 도움이 되는 내용들이다.

인간 생체에서 벌어지는 에너지 대사를 응용해 생물학적 소재로 배터리를 만드는 공상과학 같은 혁신적 실험까지 소개하는 강연들이, 매우 전문적이지만 대단히 흥미진진하다. 또한 첨단 배터리 분야에서 이미 중요한 업적을 이룬 한국 학자들의 활약상도 이 책에서 확인할 수 있다.

축사 (최종현학술원 이사장ㆍSK회장 최태원)
발간사 (최종현학술원장 박인국)

1. 리튬이온배터리 기술과 지구의 미래 (M. 스탠리 위팅엄)
1972년 이후, 세상을 바꾼 연구
장난감에서 우주정거장까지, 배터리 기술의 진화
재생에너지에 꼭 필요한 리튬이온배터리
배터리의 원리와 변천사
아직은 ‘30점짜리’ 배터리 에너지 밀도
에너지 밀도 개선을 위한 도전 과제
‘배터리 500’ 프로젝트의 최근 성과들
배터리 양극재의 역사: 타이타늄에서 바나듐까지
배터리 업계가 당면한 문제들, 어떻게 변화될 것인가?
노벨상의 교훈: 젊은 과학도들에게

2. 리튬이온배터리의 발전과 대체 기술 (거브랜드 시더)
휴대전화 켜던 배터리, 이젠 비행기도 날리다
‘원전급’ 태양광 발전소를 짓는 세상이 오다
1년이면 짓고 가동하는 ‘발전소’
리튬이온배터리, 자원과 효율의 ‘한계’
‘코발트·니켈 중독’에 빠진 배터리, 해법은?
재료의 ‘저주’ 풀기, 현대의 연금술사 ‘AI 실험실’
배터리의 새 지평: 새로운 ‘불규칙 양극재’가 쏟아지다
‘더 다양한 배터리’ 자원의 한계를 넘어서
신소재 개발을 위한 ‘패스트 트랙’
신소재 개발을 앞당길 ‘타임머신’: 미래의 AI 실험실
400만 개 논문을 읽어주는 AI…신소재를 만들어 주는 로봇
미래를 보고 혁신하는 자가 승리하리라

3. 비정질 암염(DRX): 지속가능한 자원을 이용한 양극재 개발 (거브랜드 시더)
배터리의 ‘한계’
1) 공학이 아닌 물리화학적 제약
2) 기술이 아닌 자원의 ‘한계’
가상 실험실로 배터리 소재의 한계 넘기
배터리의 새로운 가능성, DRX의 발견
비정질 암염의 가능성을 드러내는 불소(F) 치환
‘안전한’ 배터리 신소재, 불화의 비밀
‘단범위 규칙’이라는 발목
고엔트로피를 이용한 속도 개선
부분 비정질 스피넬(spinel) 양극재
배터리의 ‘가격 혁명’과 지속 가능성
어떤 금속이든 배터리로 통하게 하라

4. 층상 양극재 기반의 첨단 리튬이온배터리 기술 (강기석)
최근의 흥미로운 발견: 누적 산화환원 반응
리튬 과잉 층상 소재의 고질적 문제: 전압 감소
전압 감소 문제의 ‘해결사’: 산화환원 버퍼
두 번째 관문: 율속 특성
‘비대칭’ 리튬 확산: 새로운 인터칼레이션 메커니즘의 필요성
전이금속이 ‘샛길’로 새는 것 막기
O2 유형 리튬 과잉 층상 구조 합성
층상 구조의 새로운 화학: 인터칼레이션 모델의 재검토

5. 엔트로피를 이용한 실시간 배터리 모니터링 (최장욱)
전기차 운전자의 의문
배터리 관리 시스템(BMS)의 기본 기능
더 스마트한 BMS, 밖에서 안으로
열역학 정보를 활용한 소재 모니터링
엔트로피와 층상 구조 원자 배열의 상관 관계
열역학 측정을 통한 비파괴적 소재 상태 모니터링
엔트로피 측정의 방법론
스마트한 BMS 구현을 위한 데이터 축적

6. 차세대 배터리를 위한 첨단 바인더 설계 (최장욱)
배터리 기술 혁신: 소재뿐 아니라 ‘전극’도 중요하다
바인더, 실리콘 음극의 팽창을 막아라
고탄성 고분자: 하이드로젤의 흥미로운 세계
폴리로택세인 기반 바인더의 효율
전고체 배터리에서 바인더의 역할
‘탈보호 화학’으로 새로운 바인더 설계
전고체 배터리의 미래를 꽉 쥐고 있는 새로운 바인더

7. 생물학적 에너지 변환에 기반한 차세대 배터리 기술 (강기석)
새로운 배터리, 우리 몸을 들여다보다
생물학적 시스템으로 만든 첫 배터리, 그러나…
우리 몸, 액체 상태의 전기화학 반응
충·방전 때 색이 바뀌는 배터리: BMS의 새로운 가능성
배터리, 한계를 넘는 ‘학제간 접근’을 위하여

8. 종합토론: 지속가능한 미래를 충전하는 배터리

용어해설집
참고문헌

p.36 젊은 독자 분들에게 꼭 말해주고 싶은 내용인데, 바로 과학은 학제간 연구라는 것입니다. 연구 내용이 화학, 물리학, 기계공학 등의 특정 분야로 깔끔하게 나뉘어 떨어지지 않습니다. 2019년 노벨 화학상 수상자를 보시면 저는 화학자, 존 굿이너프는 물리학자, 요시노 아키라는 공학자입니다. 그리고 과학에는 국경이 없습니다. (M. 스탠리 위팅엄)

p.37 국경을 넘어선 협업에서 중요한 또 한 가지는 서로의 문화를 이해해야 한다는 것입니다. (…) 차이에 대한 이해를 갖춰야 하지만, 결국에는 과학이라는 공통된 언어로 소통해야 합니다. 엔지니어는 사용자의 안전을 위협하는 회사 지침에 당당하게 항의해야 합니다. 그렇지 않으면 운용 중인 배터리에 화재가 발생하고 피해가 발생하죠. 과학자가 팩트를 기반으로 “안 됩니다. 에너지 밀도를 더 높일 수 없습니다”라고 말할 수 있는 문화가 자리잡아야 합니다. (M. 스탠리 위팅엄)

p.86 배터리의 미래는 지속가능한 소재의 발굴에서 시작됩니다. 자원 제약의 문제를 풀기 위해 다시 자연에서 해결의 실마리를 찾을 수 있을지도 모릅니다. 자연이 제공하는 어떤 금속이든 배터리 소재로서 사용 가능하다면 미래를 지속가능하게 밝히는 데 큰 도움이 될 것입니다. (거브랜드 시더)

p.99 비대칭적인 리튬 확산은 2019년 노벨화학상이 수여된 고전적인 리튬 인터칼레이션 개념과 다른 양상입니다. (…) 새로운 모델에서는 리튬이온만이 유일하게 움직이는 이온이 아니며 가역적이지만 비대칭적인 전이금속 이동도 충·방전 특성에 영향을 미치죠. 전이금속 이동을 고려한 새로운 리튬 확산 메커니즘이 필요합니다. (강기석)

p.112 배터리 관리 시스템(BMS)은 기본적으로 온도·전압·전류를 측정하여 작동하는데, 외부 정보에만 의존하여 셀 내부의 화학적 상태를 유추해야 하는 한계를 가지고 있기도 합니다. 좀 더 스마트한 BMS는 셀 내부의 화학적 정보도 반영할 수 있어야 합니다. 우리는 이를 위해 배터리가 전극 내 소재의 화학적 상태를 실시간으로 파악하는 툴을 개발하고 있습니다. (최장욱)