편집자 주: 전기 기술은 녹색 지구의 미래이며, 배터리 기술은 전기 기술의 기반이자 전기 기술의 대규모 발전을 좌우하는 핵심 요소입니다. 현재 주류 배터리 기술은 에너지 밀도가 높고 효율이 우수한 리튬 이온 배터리입니다. 그러나 리튬은 희귀 원소로 가격이 비싸고 자원이 한정적입니다. 동시에 신재생 에너지 사용이 증가함에 따라 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도만으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 이에 대한 해답은 무엇일까요? 마얀크 자인(Mayank Jain)은 미래에 사용될 수 있는 몇 가지 배터리 기술을 살펴보았습니다. 이 글은 Medium에 "배터리 기술의 미래(The Future of Battery Technology)"라는 제목으로 게재되었습니다.
지구는 에너지로 가득 차 있으며, 우리는 그 에너지를 포착하고 효율적으로 활용하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 재생 에너지로의 전환은 어느 정도 진전되었지만, 에너지 저장 분야에서는 큰 진전을 이루지 못했습니다.
현재 배터리 기술의 최고 수준은 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리는 에너지 밀도가 가장 높고, 효율이 매우 높으며(약 99%), 수명도 길다고 알려져 있습니다.
그렇다면 무엇이 문제일까요? 우리가 확보하는 재생 에너지의 양이 계속 증가함에 따라 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 더 이상 충분하지 않게 되었습니다.
배터리를 대량 생산하는 방식은 계속 가능하기 때문에 큰 문제가 아닌 것처럼 보일 수 있지만, 문제는 리튬이 비교적 희귀한 금속이라 가격이 저렴하지 않다는 점입니다. 배터리 생산 비용은 하락하고 있지만, 에너지 저장에 대한 수요는 급속히 증가하고 있습니다.
리튬 이온 배터리가 생산되기 시작하면 에너지 산업에 엄청난 영향을 미칠 시점에 도달했습니다.
화석 연료의 높은 에너지 밀도는 엄연한 사실이며, 이는 재생 에너지에 대한 완전한 의존으로의 전환을 가로막는 거대한 요인입니다. 우리는 우리 몸무게보다 더 많은 에너지를 방출하는 배터리가 필요합니다.
리튬 이온 배터리의 작동 원리
리튬 배터리의 작동 원리는 일반 AA 또는 AAA 건전지와 유사합니다. 양극과 음극 단자가 있고 그 사이에 전해액이 있습니다. 일반 건전지와 달리 리튬 이온 배터리의 방전 반응은 가역적이므로 여러 번 충전하여 사용할 수 있습니다.
양극(+ 단자)은 리튬 철 인산염으로, 음극(- 단자)은 흑연으로 만들어지며, 흑연은 탄소로 이루어져 있습니다. 전기란 전자의 흐름입니다. 이 배터리는 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 전기를 생성합니다.
이온이 충전되면 양극으로 이동하고, 방전되면 음극으로 이동합니다.
이온의 이동은 회로 내 전자의 이동을 유발하므로 리튬 이온의 이동과 전자의 이동은 서로 연관되어 있습니다.
실리콘 양극 배터리
BMW와 같은 많은 대형 자동차 회사들이 실리콘 양극 배터리 개발에 투자해 왔습니다. 일반 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 이 배터리도 리튬 양극을 사용하지만, 탄소 기반 양극 대신 실리콘을 사용합니다.
양극재로서 실리콘은 흑연보다 우수한데, 흑연은 리튬 이온을 결합하는 데 탄소 원자 4개가 필요한 반면, 실리콘 원자 1개는 리튬 이온 4개를 결합할 수 있기 때문입니다. 이는 상당한 성능 향상이며, 실리콘이 흑연보다 3배 더 강하다는 것을 의미합니다.
그럼에도 불구하고 리튬 사용은 여전히 양날의 검과 같습니다. 이 소재는 여전히 비싸지만, 생산 설비를 실리콘 전지로 전환하는 것은 비교적 쉽습니다. 하지만 배터리 종류가 완전히 다르면 공장을 전면적으로 재설계해야 하므로 전환의 매력도가 다소 떨어질 수 있습니다.
실리콘 양극은 모래를 처리하여 순수한 실리콘을 만들어내지만, 현재 연구자들이 직면한 가장 큰 문제는 실리콘 양극이 사용 중에 팽창한다는 점입니다. 이로 인해 배터리 성능이 너무 빨리 저하될 수 있습니다. 또한 양극을 대량 생산하는 것도 어렵습니다.
그래핀 배터리
그래핀은 연필심과 같은 소재인 탄소 조각의 일종이지만, 이 조각에 흑연을 붙이는 데에는 많은 시간과 노력이 소요됩니다. 그래핀은 다양한 분야에서 뛰어난 성능을 보여주어 주목받고 있으며, 배터리 또한 그중 하나입니다.
일부 기업들은 몇 분 만에 완충되고 리튬 이온 배터리보다 33배 빠른 속도로 방전될 수 있는 그래핀 배터리를 개발하고 있습니다. 이는 전기 자동차에 매우 중요한 의미를 갖습니다.
폼 배터리
현재 전통적인 배터리는 2차원 형태입니다. 리튬 배터리처럼 쌓아 올린 형태이거나, 일반적인 AA 배터리나 리튬 이온 배터리처럼 말아 올린 형태입니다.
폼 배터리는 3차원 공간에서 전하의 이동을 이용하는 새로운 개념의 배터리입니다.
이 3차원 구조는 충전 시간을 단축하고 에너지 밀도를 높여주는데, 이는 배터리에 있어 매우 중요한 특성입니다. 또한, 대부분의 다른 배터리와 달리 폼 배터리는 유해한 액체 전해질을 사용하지 않습니다.
폼 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 이 전해질은 리튬 이온을 전도할 뿐만 아니라 다른 전자 장치를 절연하는 역할도 합니다.
배터리의 음전하를 보유하는 양극은 발포 구리로 만들어지고 필요한 활성 물질로 코팅됩니다.
그다음에는 고체 전해질을 양극 주변에 도포합니다.
마지막으로, 소위 "양극 페이스트"를 사용하여 배터리 내부의 틈을 메웁니다.
산화알루미늄 배터리
이 배터리는 현존하는 배터리 중 에너지 밀도가 가장 높은 편에 속합니다. 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 출력은 더 강력하면서도 무게는 더 가볍습니다. 어떤 사람들은 이 배터리로 전기차를 2,000km까지 주행시킬 수 있다고 주장합니다. 과연 이 주장은 어느 정도 타당할까요? 참고로 테슬라의 최대 주행 가능 거리는 약 600km입니다.
이러한 배터리의 문제점은 충전이 불가능하다는 것입니다. 이 배터리는 수산화알루미늄을 생성하고, 물을 기반으로 하는 전해액 속에서 알루미늄과 산소의 반응을 통해 에너지를 방출합니다. 배터리를 사용하는 과정에서 알루미늄이 양극으로 소모됩니다.
나트륨 배터리
현재 일본 과학자들은 리튬 대신 나트륨을 사용하는 배터리 개발에 힘쓰고 있습니다.
이는 획기적인 변화를 가져올 것입니다. 이론적으로 나트륨 배터리는 리튬 배터리보다 효율이 7배나 높기 때문입니다. 또 다른 큰 장점은 나트륨이 지구 매장량에서 여섯 번째로 풍부한 원소인 반면, 리튬은 희귀 원소라는 점입니다.
게시 시간: 2019년 12월 2일