지난 몇 년 동안 우리는 대중 시장 기계 및 장치에 사용되는 배터리 기술에 엄청난 변화를 보았습니다. 자동차 부문에서는 폭스바겐, 닛산 등이 전고체 배터리에 투자했고, 스마트폰 제조사들은 원플러스 13 등 휴대폰에 탄화규소 소재를 적용해 배터리 용량을 대폭 늘렸다. 그러나 또 다른 혁신이 있다. 이는 성능 향상에 매우 중요한 수명 측면과 에너지 밀도가 동반되는 엄청난 가능성을 보여주고 있습니다.
문제의 혁신은 리튬-황 배터리와 관련이 있다. Advanced Science 저널에 발표된 새로운 연구에서 한국 연구자들은 리튬 이온 배터리보다 8배 더 높은 에너지 밀도를 제공하는 대면적 고용량 배터리 프로토타입 개발을 설명했습니다. 그러나 그것은 가장 유망한 부분조차 아닙니다. 한국전기연구원(KERI)과 국가과학기술연구회 연구진이 폴리황화리튬의 용해와 확산을 제어하는 독특한 시스템을 개발했다.
후자는 지금까지 상업적 규모의 리튬-황 배터리 개발에 결정적인 장애물이었습니다. 리튬 폴리설파이드는 충방전 과정에서 중간 화학물질로 생성되어 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 음극을 안정화하고 황 손실을 줄이기 위해 단일벽 CNT라는 재료를 개발했습니다. 연구진은 이후 일반 스마트폰 배터리 크기의 거의 5분의 1에 달하지만 에너지 밀도는 훨씬 높은 1,000mAh 배터리를 탑재한 파우치형 리튬-황 배터리 프로토타입을 만들 수 있었습니다.
더 강력한 성능과 더 긴 수명
최신 연구 팀은 리튬-황 배터리와 관련된 가장 큰 기술적 장애물 중 하나를 극복했다고 확신합니다. KERI 박준우 박사는 “실제 산업 현장에 적용할 수 있는 기반을 마련해 차세대 리튬-황 배터리의 실질적인 상용화 가능성을 여는 중요한 성과를 거두었다”고 밝혔다.
하루 전 네이처(Nature)에 발표된 별도의 연구 논문에서 국제 연구팀은 25,000회 충전 후에도 충전 용량의 80%를 유지할 수 있는 리튬-황 배터리 개발에 대해 자세히 설명했습니다. 이론적으로 매일 한 번 충전되는 일반 스마트폰에 이러한 배터리를 장착하면 거의 68년 동안 교체할 필요가 없습니다.
이에 비해 iPhone의 충전 유지 용량은 500회 사용 후 80%로 떨어집니다. 즉, iPhone을 매일 한 번씩 충전하면 대략 1.5년 안에 교체해야 한다는 의미입니다. 리튬 이온 배터리는 1,000사이클 이후 성능이 저하되는 경향이 있으므로 우리는 엄청난 25배의 이득을 기대하고 있습니다.
중국 연구진이 개발한 배터리는 리튬, 인, 요오드가 포함된 유리 같은 소재를 사용했습니다. 특히 배터리는 전기화학적 안정성, 간단히 말해 수명 측면에서 새로운 선례를 세웠을 뿐만 아니라 고온에 노출된 경우에도 빠르게 충전되는 성능을 발휘했습니다. 또 다른 주목할만한 이점은 유황이 자연에 풍부하게 존재한다는 것입니다. 리튬은 희귀하고 화재 위험이 있는 수하물과 함께 제공되며, 리튬 채굴은 윤리적 문제 외에도 심각한 환경 영향과 관련되어 있습니다.
귀하의 장치가 영원히 바뀔 것입니다
최신 리튬-황 배터리 혁신은 매우 인상적입니다. 특히 이를 뒷받침하는 팀이 프로토타입을 성공적으로 제작한 후 상용화를 목표로 하고 있다는 점을 고려하면 더욱 그렇습니다. 가장 좋은 점은 고유한 기술이 전자 제품 및 전기 자동차와 상호 작용하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 다양한 응용 분야에 배포할 수 있는 문을 열어준다는 것입니다.
“일반적인 강체형 배터리와 달리 당사의 기술은 유연하고 자립 가능한 특성으로 높은 에너지 밀도와 편리한 휴대성을 제공하며, 모바일 스마트 기기, 웨어러블 의료기기, 스마트 섬유, 장거리 순항 전기 자동차”라고 KERI 전문가가 발표한 연구 논문에 나와 있습니다.
웨어러블의 예를 들어보자. Apple의 스마트워치와 같은 일반적인 스마트워치는 매일 충전해야 합니다. 그러나 배터리가 위 연구 논문에 설명된 리튬-황 기술로 전환되면 일주일에 한 번만 충전하면 됩니다. 또한 이러한 배터리는 충전 유지나 성능 문제로 어려움을 겪지 않고 10년 동안 쉽게 사용할 수 있습니다.
이와 같은 혁신은 소비자 전자 장치의 수명을 연장하고 전자 폐기물 부담을 줄일 뿐만 아니라 투자 대비 더 많은 가치를 얻을 수 있음을 의미합니다. 브랜드가 이러한 개발에 관심을 돌리고 황 기반 배터리의 대량 생산을 추진하는 것은 시간 문제일 뿐입니다.
