'5배 용량의 5배 저렴한 배터리를 5년 내 개발' 리튬이온 대체 프로젝트

1년 전, 미국 에너지국(Department of Energy)은 배터리 수명 향상 기술 개발을 목표로 1억 2,000만 달러 규모의 5개년 계획을 발표했다. 현재 2년 차에 접어들어가는 시점에서 일부 연구 노력이 가시화되고 있다.

정부, 대학, 민간 연구원으로 구성된 팀이 현재 전기 그리드, 교통, 소비자용 전자제품용 배터리 성능 향상을 위한 3가지 연구 콘셉트를 진행하고 있다. 그들이 원하는 것은 1970년대에 개발되어 지금까지 명맥을 유지하고 있는 리튬이온 배터리를 넘어설 수 있는 배터리를 원하고 있다.

아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory)의 수석 연구원이자 물리학 교수로 해당 연구를 진두 지휘하고 있는 조지 크랩트리는 "우리는 기본적으로 완전히 새로운 기술을 원한다"라며 목표는 에너지 밀도 측면에서 성능이 5배 향상되고 5배 저렴한 배터리를 5년 이내에 개발하는 것이다. 현재 이 계획은 "5-5-5 계획"으로 불리고 있다.

크랩트리는 "이보다 못한 기술은 변화를 이끌어 낼 수 없을 것이다"라고 전했다.

지난 10년 동안 리튬이온 배터리 성능은 연간 약 5%씩 향상됐다. 크랩트리에 따르면 배터리 연구의 95%는 여전히 이 기술에 집중하고 있는 상태다.

그는 업계가 리튬이온 연구에만 초점을 두는 이유에 대해 "상대적으로 위험이 낮고 점진적인 향상을 기대할 수 있는 가능성이 높기 때문"이라고 말했다.

배터리 성능이 5배 향상되면 큰 영향을 미치게 된다. 예를 들어 쉐비 볼트(Chevy Volt) 하이브리드 자동차는 리튬이온 배터리를 사용하고 있다. 볼트는 1회 주유로 900마일을 달릴 수 있지만, 연료 없이 배터리만을 사용하는 경우에는 고작 38마일을 달릴 수 있다. 배터리 성능이 향상되어 수백 마일을 달릴 수 있게 되면 전기 자동차의 잠재력이 달라지게 될 것이다.

또 배터리 저장기술이 향상되면 풍력 및 태양열 발전이 더욱 비용 효율적으로 될 것이고 휴대폰 전화의 배터리 성능이 크게 향상될 것이다.

여기, 크랩트리가 말하는 연구진의 3가지 주요 중점 분야를 살펴보도록 하자.

- 오늘날의 리튬이온 배터리는 배터리의 음극과 양극 사이에서 단일 전하가 이동한다. 연구진은 2개의 전하를 가진 마그네슘이나 3개의 전하를 가진 알루미늄으로 리튬을 대체하는 방법을 고려하고 있다. 전하란 무엇일까? 저장된 에너지는 활성화된 이온의 전하에 정비례하기 때문에 다른 모든 조건이 동일하다는 전제 하에 전하를 2배로 올리면 에너지가 2배가 된다.

기술적인 용어로 에너지는 전하 x 전압이다. 따라서 에너지를 증가시키는 방법으로 전하 또는 전압을 증가시키는 2가지 방법이 있다. 최소한 논문에서는 이런 접근방식이 배터리의 에너지 밀도를 2 또는 3배로 증가시킬 수 있다.

- 음극에서 리튬이온이 함께 왔다가 반대로 이동하는 방식으로 분자들 속에 안착하는 인터칼레이션(Intercalation)이라는 과정이 발생한다. 연구의 두 번째 과제는 인터칼레이션 단계를 진정한 화학 반응으로 대체하는 방법을 연구하는 것이다. 화학적 결합은 삽입된 이온들보다 더 많은 에너지를 저장한다. 산소와 반응하는 리튬을 과정에 포함시킬 수 있다. 유사한 과정으로 수소가 물을 생성하는 연료전지가 있다. 차이점은 배터리의 경우, 화학적 과정이 역방향으로도 가능하다는 점이다.

- 액체로 결정질 양극과 음극을 대체할 수 있으며, 이를 통해 활성 이온을 위한 공간이 확장된다. 이 접근방식으로 유기물을 포함해 다양한 종류의 물질을 에너지 저장을 위해 사용할 수 있다. 문제는 활성 이온을 감당하기에 충분한 액체를 찾는 일이다. 발생 가능한 수만 가지의 반응 중에서 높은 에너지를 저장하는 반응을 찾는 것을 포함하여 여러 가지 문제를 해결해야 한다. 또 다른 문제는 전압 용량이 충분한 용제를 찾는 일이다.

크랩트리는 이 목표를 달성하는 것은 가능하다고 자신했다. 그는 "절대로 불가능하지 않다고 생각한다. 왜냐하면 리튬이온 외에 아직까지 진지하게 연구하지 않은 여러 경로가 존재하기 때문"라고 말했다.

5-5-5 팀이 목표를 달성한다 하더라도 상용화는 몇 년 후에나 가능할 것이다. 해당 연구팀은 5년 이내에 기술을 증명할 수 있는 프로토 타입 배터리를 개발할 수 있기를 기대하고 있다. 하지만 새로운 종류의 배터리를 상용화하고 제조공정을 구성하며 다양한 용도의 배터리를 개발하기 위해서는 더 많은 시간이 소요될 수 있다.

리튬이온 기술은 미국에서 개발되었지만 개발된 지 20년이 지난 1990년대가 되어서야 소니(Sony)가 성공적으로 배터리를 상용화할 수 있었다. 새로운 기술이 개발되어 소비자에게 제공되기까지는 보통 20년이라는 세월이 걸린다. 크랩트리는 상용화까지 걸리는 시간을 단축하기를 바라지만 고객들이 언제 제품을 보게 될 수 있을지에 대해서는 말을 아꼈다. 그는 개발 주기를 10년으로 단축하는 것만으로도 충분히 빠른 것이라고 말했다.

해당 프로젝트에는 미국 국립 연구소들 외에 노스웨스턴대학교(Northwestern University), 시카고대학교(University of Chicago), 일리노이대학교 시카고 캠퍼스(University of Illinois-Chicago), 일리노이대학교 어바나(Urbana) 캠퍼스, 미시간대학교(University of Michigan) 등이 참여하고 있다. 민간 부문의 기업으로는 도우 케미컬 컴패니(Dow Chemical Company), 어플라이드 머터리얼스(Applied Materials), 존슨 컨트롤스(Johnson Controls), 클린 에너지 트러스트(Clean Energy Trust) 등이 있다.

크랩트리는 "9개 참여 주체들 모두 배타적인 라이선스 획득을 기대하고 있다"라고 말했다. ciokr@idg.co.kr