폭발 위험 없는 배터리 개발!?
폭발 위험 없는 배터리 개발!?
  • 박연수
  • 승인 2017.05.01 17:04
  • 조회수 3467
  • 댓글 0
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삼성님이 이 글을 좋아합니다. 출처 : peeps/iStockphoto
삼성님이 이 글을 좋아합니다. 출처 : peeps/iStockphoto

없어서는 안 될 배터리

 

배터리는 노트북, 자동차, 휴대전화, 스마트폰 등 다양한 곳에 사용됩니다. 배터리가 고장이라도 난다면 불편한 점은 한둘이 아니죠. 얼마 전 삼성전자는 배터리 불량으로 갤럭시 노트7이 ‘폭발’하는 사달을 겪으면서 적잖은 피해를 입었습니다.

 

그런데 최근 미국 해군연구소(Naval Research Laboratory)의 화학자 데브라 로리슨(Debra Rolison)이 이끄는 연구진이 배터리 고장을 방지할 새로운 방법을 찾아냈다고 발표해 이목을 끕니다.

NPR 의 로리슨 연구팀. 출처:nanotechweb.org
NPR 의 로리슨 연구팀. 출처:nanotechweb.org

'아연 니켈 배터리'

 

‘아연니켈 배터리’를 사용하는 것입니다. 데브라 로리슨에 따르면 아연니켈 배터리는 현재 상용되고 있는 리튬이온 배터리와 거의 동일한 전력을 생산할 수 있으면서도 고장 위험이 낮다고 합니다. 아직 개발 단계이지만 언젠가 가전기기부터 자동차에 이르기까지 다양한 용도로 활용이 가능할 것으로 보입니다.

 

사실, 아연을 사용한 배터리는 전통적인 방법입니다. 일반적인 충전이 불가능한 알카라인 건전지가 대표적인 예입니다. 건전지 양 전극에서 한 쪽은 아연, 다른 한 쪽은 이산화망간으로 돼있습니다. 또 이 배터리 내부에는 수성 전해액이 존재해 불에 타지 않아 안전합니다.

 

반면 리튬 건전지는 가연성 유기 전해질을 사용합니다. 수성 전해액은 양 전극 사이의 반응이 배터리의 수명을 줄일 수 있기 때문이라는데요. 배터리의 수명을 늘리기 위해 인간의 수명을 줄일 가능성이 있다는 건 함정인가요..ㅎㄷㄷ

 

과학자들의 노력

 

과학자들은 배터리가 폭발하거나 불에 타지 않는 방법을 찾기 위해 다양한 방법을 시도했습니다. 지난해 말 한국의 구종민 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원은 ‘리튬’ 계열 배터리에 들어가는 액체전해질을 겔(gel) 형태로 만드는 데 성공했습니다. 리튬 계열 배터리는 스마트폰이나 노트북 등 대부분의 소형 전자기기에 사용되지만 내부 배터리 액이 섞이면 폭발하는 위험이 있었습니다.

 

 

연구진은 100도의 온도에서 이온성 액체와 리튬염을 혼합한 후 상온에 뒀습니다. 겔 형태로 제작하는 간단한 공정이죠. 이렇게 제작한 전해질은 기존 배터리 액과 달리 누액의 문제가 없어 폭발 위험도 크게 낮췄다고 합니다.

 

한편, 아연 배터리를 연구한 연구진은 불에 타지 않는 아연 배터리를 재충전이 가능하도록 만드는 방법도 고려했죠. 아연은 리튬에 비해 안전하면서도 풍부한 재료이고 가격도 저렴합니다.

 

하지만 재충전이 가능한 아연 배터리는 문제점이 있었습니다. 방전과 충전을 반복하면 아연 원자가 양 전극 중 한 곳에 쌓였습니다.

 

문제는 덴드라이트!

빨간색 막대기를 1mm로 두고 덴드라이트의 크기를 비교해해보세요. 출처:jes.ecsdl.org
빨간색 막대기를 1mm로 두고 덴드라이트의 크기를 비교해해보세요. 출처:jes.ecsdl.org

아연 원자의 축적은 ‘덴드라이트’라는 뾰족한 아연 결정을 만들었습니다. 이 덴드라이트는 마치 창처럼 배터리 내부의 이곳저곳을 찌르고 다녀 배터리 수명을 줄이죠. 배터리의 수명을 줄이는 덴드라이트 제거는 쉽지 않습니다.

 

또 다른 문제는 전극 안 아연이 제멋대로 분포돼 있다는 점입니다. 불균일한 분포로 인해 배터리 충전 시 배터리 내부의 전기장이 특정 부분을 마구 두드려 그 곳에 아연이 축적됩니다. 아연의 축적으로 덴드라이트가 만들어지면 결국 다시 배터리 수명이 줄어들죠.

 

문제 해결!

 

이 문제를 해결하기 위해 미 해군연구소 데브라 로리슨 박사는 ‘3D 아연 스펀지 전극’을 만들기 위한 연구를 진행했습니다. 연구진은 아연가루를 물, 기름기 있는 혼합물과 섞어 걸죽한 액체를 만들었습니다. 그 다음 이 액체를 굳혀 모두 똑같은 형태로 제조했습니다. 또, 화학작용을 위한 충분한 공간을 확보하기 위해 다공성 ‘아연 틀’을 이용했습니다. 그 결과 덴드라이트의 발생을 막을 수 있었습니다.

 

로리슨 박사의 연구진이 발명한 배터리는 같은 에너지의 리튬이온 배터리에 비해 100번 이상 재충전이 가능하다고 합니다. 연구진은 이 배터리가 적은 양의 전기가 방전되고 즉시 재충전되는 하이브리드 자동차에 사용된다면 덴드라이트 형성 없이 50,000번까지 재충전이 가능할 거라 전망했습니다.

 

로리슨 박사는 개발 과정에 박차를 가하기 위해 캘리포니아의 스타트업 기업인 San Anselmo와 계약을 맺었습니다. 현재 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 웨어러블 기기 등에 사용할 배터리를 개발 중이라고 합니다. 아연 배터리가 상용화 된다면 배터리의 위험성은 줄어들고 장비 가격은 조금 더 내려갈지도 모르겠습니다.

 

DOI: 10.1126/science.aal1123

 

박연수 수습 에디터(flowers1774@scientist.town)



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