2019년 노벨상 수상에 빛나는 걸작, 리튬이온배터리

4월 28 업데이트됨

현대 사회를 살아가는 사람이라면, 자신의 주변에 배터리를 아예 사용하지 않는 공간은 없다는 것을 잘 알고 있을 것입니다. 현대인들에게 필수품이 되어버린 휴대전화부터, 마치 처음부터 그 공간에 있었다는 듯 묵묵히 작동하는 벽시계까지 현대 사회에서 배터리는 없어서는 안 될 필수품이 되어버렸습니다. 하지만 우리가 자주 보는 AA 배터리의 경우 절대 우리의 휴대전화에 들어갈 수 있을 것 같지 않습니다. 조금 두껍기는 하지만, 하다못해 충전이라도 된다면 좋을 것을, 안타깝게도 우리의 AA 배터리는 그마저도 되지 않지요. 그렇다면 우리의 휴대전화에 들어가는 배터리는 과연, 무엇일까요?

스탠리 휘팅엄, 리튬이온배터리의 핵심 인터칼레이션 원리를 발견하다.
스탠리 휘팅엄 박사

우리가 흔히 사용하는 휴대전화에 들어가 있는, 쉽게 말해 충전이 가능한 배터리는 2차 전지라고 불리는 반복 사용이 가능한 배터리입니다. 리튬이온배터리는 가장 대표적인 2차 전지이고, 이를 위해서는 전하를 띈 입자의 방출과 자유로워야 합니다. 리튬이온의 경우 매우 가볍고, 양전하를 띄었기 때문에 이 조건을 쉽게 만족시켰기에, 1970년대 초반 스탠퍼드대학교에서 박사과정을 막 끝낸 휘팅엄 박사는 이를 이용하여 충전이 가능한 리튬이온배터리를 만들기로 합니다.

운이 좋게도, 휘팅엄 박사는 티타늄 황화물 시트가 머금고 있는 리튬 이온을 굉장히 잘 방출한다는 것을 발견하였습니다. 이 현상에 의해 두 전극 사이에서 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있고, 그에 맞추어 전자 역시 이동하게 됩니다. 이 현상을 인터칼레이션이라고 하는데, 이를 통해 1972년, 리튬금속과 티타늄 이황화물을 이용한 세계 최초의 리튬이온배터리가 탄생하게 됩니다. 이 충전이 가능한 최초의 리튬이온배터리는 2V의 전압을 자랑했지만, 수지상 결정이 생긴다는 치명적인 단점 역시 존재하는 양날의 검과 같았습니다.


휘팅엄 박사의 리튬이온배터리

존 굿이너프, 더 큰 전위차를 만들어내다.
존 굿이너프 박사

고체 물리학자이자 재료과학자인 존 굿이너프 박사는 바로 위에서 설명한, 휘팅엄 박사의 배터리에서 수지상 결정이 생긴다는 것을 지적한 과학자입니다. 그는 자신이 이 문제를 해결할 수 있다고 확신하였고, 다양한 산화물들이 안정한 상태에서 방출할 수 있는 리튬이온의 양을 조사합니다. 그 결과 리튬-코발트 산화물이 자신이 찾는 가장 적합한 화합물이라는 것을 발견해냈고, 굿이너프 박사는 이를 이용하여 리튬이온배터리를 개발하는 데 성공합니다.

굿이너프 박사는 더 가벼운 무게, 더 많은 충전용량을 가지고 있었고 사용한 산화물인 리튬-코발트 산화물이 굉장히 안정적이라는 장점을 가진 리튬이온배터리를 만들어냅니다. 안타깝게도 굿이너프 박사의 배터리에도 치명적인 단점이 하나 있었는데, 한쪽 극이 리튬으로 이뤄져 있는 탓에 두 극의 접촉을 차단하는 분리막이 파손되면 배터리 내부에 높은 전류가 흘러 폭발할 가능성이 있는 것이 바로 그 단점이었습니다.

굿이너프 박사의 리튬이온배터리

요시노 아키라, 리튬이온배터리를 상용화시키다.
요시노 아키라 박사

굿이너프 박사의 연구를 접한 아키라 박사는 리튬금속으로 이루어진 극 대신 석유 코크스를 사용하여 배터리의 안정성을 향상하는 데 집중하였습니다. 마치 굿이너프 박사의 리튬-코발트 산화물처럼, 석유 찌꺼기를 열분해시켜 만든 석유 코크스는 고른 층을 형성하였고 역시 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있었습니다. 이전 세대의 문제점을 모두 해결한 아키라 박사의 리튬이온배터리는, 드디어 상품화에 성공하여 지금까지 휴대전화에 널리 상용화되어 사용되게 됩니다.


아키라 박사의 리튬이온배터리

리튬이온배터리, 노벨상을 거머쥐다.

“존 굿이너프, 스탠리 휘팅엄, 그리고 요시노 아키라 세 사람의 공로로 오늘날 휴대전화에서부터 노트북, 전기차에 이르기지 수많은 제품에 들어가는 가볍고 재충전이 가능하면서 오래가는 배터리가 두루 쓰일 수 있게 되었다.” - 2019년 스웨덴 왕립 노벨위원회의 기자회견 중


세 명의 2019년 노벨 화학상 수상자

참고자료

[1] https://www.sciencetimes.co.kr

[2] http://www.astronomer.rocks

[3] https://www.nobelpeaceprize.org


첨부 이미지 출처

[1] https://www.nobelpeaceprize.org

[2] http://m.kmib.co.kr


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작성자│김동혁

발행호│2020년 봄호

키워드#전기화학 #전지 #리튬전지



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