노벨 화학, 리튬이온 배터리로 싹쓸
노벨 화학, 리튬이온 배터리로 싹쓸
  • 강지희
  • 승인 2019.10.11 21:35
  • 조회수 2476
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

노벨화학상을 수상한 과학자들. 순서대로 굿이너프, 휘팅엄, 요시노 박사. 출처: 노벨상 공식 홈페이지
노벨화학상을 수상한 과학자들. 순서대로 굿이너프, 휘팅엄, 요시노 박사. 출처: 노벨상 공식 홈페이지

올해 3명의 과학자가 노벨화학상을 수상했습니다. 미국의 존 굿이너프 박사와 영국의 스탠리 휘팅엄 박사, 일본의 요시노 아키라 박사인데요. 세 과학자들은 '리튬이온 배터리'의 발전에 기여한 공로로 노벨상을 수여받았습니다. 

 

리튬이온 배터리

특히 '아XX' 배터리 아웃 넘 심해... 출처: pixabay
괜찮아! 다시 충전하면 되니까! 출처: pixabay

2차 전지는 1차 전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말합니다. 리튬이온 배터리는 가장 대표적인 2차 전지입니다. 리튬이온 배터리는 작은 크기에도 고용량 및 고출력이 장점입니다. 때문에 기존 소형기기에서 전기자동차와 같은 대용량 에너지 저장 시스템까지 수요가 점점 증가하죠.

 

리튬이온 배터리는 크게 4가지로 구성됐습니다. 양극, 음극, 분리막, 전해액인데요. 양극은 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정합니다. 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하죠. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 합니다. 전해액은 매개체로써 이온의 이동을 원활하게 합니다. 

 

어떤 활약을 했는가

스탠리 휘팅엄 박사. 출처:
스탠리 휘팅엄 박사. 출처: Binghamton University

영국의 화학자 스탠리 휘팅엄 박사는 1970년대 초반 스탠퍼드대학교에서 박사과정을 거친 후 리튬으로 전지를 개발하는 연구를 시작했습니다. 리튬은 매우 가볍고 양전하를 띤 리튬 이온을 쉽게 방출할 수 있기 때문이었죠. 휘팅엄 박사는 리튬이온을 티타늄 황화물 시트에 저장하는 방법을 발견했습니다. 이를 토대로 휘팅엄 박사는 충전이 가능한 리튬이온 배터리를 발명했습니다. 

휘팅엄이 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지
휘팅엄 박사가 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지

그 후 휘팅엄 박사는 에너지 회사 엑손의 대체 에너지 기술에 대한 민간 연구를 제안받았습니다. 휘팅엄 박사는 1972년 엑손에 합류한 후 리튬 금속과 티타늄 이황화물을 배터리에 결합해 최초로 리튬이온 배터리를 발명했습니다. 휘팅엄 박사가 발명한 리튬이온 배터리는 2V를 자랑했습니다. 

존 굿이너프 박사. 출처: University of Taxas
존 굿이너프 박사. 출처: University of Taxas at Austin

1970년대 중반 존 굿이너프 박사는 에너지 위기로 인해 휘팅엄 박사와 마찬가지로 에너지 보존과 저장을 연구하기 시작했습니다. 굿이너프는 엑손이 휘팅엄을 고용해 황화리튬-티타늄 배터리를 만들었음을 알고 있었죠. 하지만 굿이너프 박사는 이 배터리의 한계도 지적했습니다. 

 

"그 결과는 실패였죠. 왜냐하면 수지상 결정이 배터리의 인화성 액체 전해질을 통과해 형성되고 성장하기 때문에 불이 붙고 심지어 폭발하기까지 하니까요" 굿이너프 박사가 말했습니다. 여기서 수지상 결정이란 녹은 금속이 응고될 때 형성되는 나뭇가지 모양의 결정을 말합니다.

 

굿이너프 박사는 이 배터리의 단점을 자신이 극복할 수 있을 것으로 확신했습니다. 초기 연구에서 굿이너프 박사는 리튬 마그네슘 산화물이 층을 이루고 있음을 알아냈습니다. 그 다음 다른 여러 산화물을 대상으로 산화물들이 불안정해지기 전에 얼마나 많은 리튬을 추출할 수 있을지 조사하기 시작했습니다. 

굿이너프 박사가 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지
굿이너프 박사가 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지

굿이너프 박사는 리튬-코발트 산화물과 리튬-니켈 산화물이 가장 적합함을 발견했습니다. 1980년까지 굿이너프 박사는 음극으로 리튬-코발트 산화물을 이용해 리튬이온 배터리를 개발했습니다. 굿이너프 박사의 배터리는 더 가벼운 무게로 많은 양의 충전이 가능했고 다른 산화물보다 뛰어나게 안정적이었다고 합니다. 

요시노 아키라 박사. 출처: Kyusyu University
요시노 아키라 박사. 출처: Kyusyu University

하지만 굿이너프 박사의 배터리도 단점이 존재했습니다. 음극이 리튬으로 이뤄진 탓에 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이 파손되면 내부에 높은 전류가 생겨 폭발할 수 있기 때문이죠. 1981년 요시노 아키라 박사는 굿이너프 박사의 연구를 접했습니다. 이 당시 요시노 아키라 박사는 화학회사 아사히 카세이 주식회사에서 연구원으로 일하고 있었죠. 

요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지
요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리. 출처: 노벨상 공식 홈페이지

요시노 박사는 굿이너프 박사의 연구를 토대로 안전성을 높이기 위해 1985년 석유코크스를 음극으로 사용해 4V의 리튬이온 배터리를 만들었습니다. 석유코크스는 석유 찌꺼기를 열분해시켜서 만든 다공질의 광택이 있는 코크스입니다. 코발트 산화물과 마찬가지로 석유코크스는 고른 층을 형성했고 충전 시 보다 리튬이온을 저장할 수 있었습니다. 또한 내구성이 좋고 안전하다는 장점도 있었죠.

 

요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리는 1992년 일본의 회사 소니에서 상용화돼 세계 최초로 상품화에 성공했습니다. 또한 요시노 박사는 리튬이온 배터리를 개발한 공로로 2019년 유럽에서 '유럽 발명가상'을 수상받았습니다. 

 

소감 한 말씀 부탁드립니다

 

스톡홀름에서 요시노 박사는 "호기심은 나의 강력한 원동력"이라며 소감을 밝혔습니다. 또한 일본 도쿄의 기자회견에서 요시노 박사는 "쓸데없는 일을 잔뜩 하는 것이 중요하다. 쓸데없는 일을 잔뜩 하지 않으면 새로운 것은 태어나지 않는다"며 새로운 도전의 중요성을 강조했습니다.

 

굿이너프 박사는 "수상을 해서 기분이 매우 좋다. 하지만 예나 지금이나 나는 똑같은 사람일 뿐"이라고 말했습니다. 또한 영국 런던에서 열린 기자회견에서 "내 작품이 전 세계 사람들의 의사소통 능력에 도움을 줘서 기쁘다. 우리는 벽이 아닌 관계를 쌓아야 한다. 사람들이 내 작품을 악이 아닌 선으로 사용해서 기쁘다"며 소감을 밝혔습니다. 

 

##참고자료##

 

  • 브라이언 머천트 <원 디바이스>; 매경출판(2018).
  • 선우 준 <전지 산업과 기술동향 TOP 1>; e퍼플(2019).


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트