배터리, 특히 리튬 배터리는 이미 많은 발전을 이룩했지만 아직도 발전의 여지가 많이 남아있습니다. 그 중에서 미래 리튬 계통 배터리의 희망으로 생각되는 영역이 리튬 - 공기 배터리 (Lithium - air battery)입니다.
금속 - 공기 배터리의 일종인 리튬 - 공기 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리 대비 최대 10배의 에너지 저장밀도를 구현할 수 있습니다. 그 이론적 에너지 밀도값은 가솔린과 비슷한 수준이어서 만약 상용화만 가능하다면 한 번 충전으로 일주일가는 스마트폰이나 노트북도 가능할 수 있습니다.
하지만 리튬 - 공기 배터리의 가장 큰 가능성은 전기 자동차와 대규모 에너지 저장 시스템에 있습니다. 가벼운 배터리로 충분한 에너지를 저장할 수 있다면 현재의 전기 자동차의 무게 역시 자연스럽게 경량화되면서 성능이 크게 개선될 수 있습니다. 또 풍력이나 태양광 발전의 가장 큰 문제인 에너지 공급의 불규칙성 역시 강력한 배터리가 있다면 극복할 수 있는 문제입니다.
이런 이유에서 세계 각국의 기업과 연구소, 대학들이 리튬 - 공기 배터리 개발에 매달렸지만, 아직 실용화 단계에 이른 리튬 - 공기 배터리는 없습니다. 대부분 실험실 단계나 이론 단계를 벗어나지 못하고 있죠.
최근 캠브리지 대학의 클레이 그레이 교수(Professor Clare Grey of Cambridge's Department of Chemistry)와 타오 리우 박사(Dr Tao Liu, also from the Department of Chemistry) 및 그의 동료들이 저널 사이언스에 발표한 내용에 의하면 새로운 형태의 그래핀 기반 전극을 지닌 리튬 - 산소 배터리가 90% 이상의 효율과 2000회의 충방전 사이클을 견딜 수 있다고 합니다.
(리튬 - 공기 배터리의 개념도. 출처: 위키피디아 )
이들이 개발한 리튬 - 공기(산소) 배터리는 위에 보이는 것과 같은 개념으로 충방전을 하게 됩니다. 산화제 대신 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 무게와 크기를 대폭 줄일 수 있는 것이죠. 하지만, 실제로 이런 전극의 효율은 별로 높지 않았습니다.
캠브리지 대학 연구팀은 다공성의 그래핀과 리튬 요오드(Lithium iodine), 그리고 lithium hydroxide (LiOH)를 이용한 새로운 전극을 통해서 여러 번 충방전시에도 안정적이고 효율이 높은 리튬 - 산소 배터리를 만드는데 성공했습니다.
여기까지 들으면 이제 배터리 혁명이 다가온 것 같지만 사실은 아직 넘어야할 산이 많습니다. 이번에 만들어진 리튬 공기 배터리의 경우 불행히 100% 산소에서만 작동이 가능합니다. 실제 공기 중 산소와 반응하기 위해서는 산소 이외에도 질소, 이산화탄소, 아르곤 및 여러 물질에 내성이 있어야 합니다.
따라서 아직 리튬 - 공기 배터리를 비롯한 금속 - 공기 배터리 (이전에 소개드린 알루미늄 - 공기 배터리를 비롯해서) 는 아직 가야할 길이 많이 남았습니다. 하지만 고성능 배터리에 대한 전세계적인 강력한 수요를 감안하면 사실 미래는 밝다고 생각합니다.
필요는 발명의 어머니일 뿐 아니라 큰 돈이 될 것이기 때문체 차세대 배터리 개발은 치열하게 계속되리라 믿습니다.
참고
Journal Reference:
- T. Liu, M. Leskes, W. Yu, A. J. Moore, L. Zhou, P. M. Bayley, G. Kim, C. P. Grey. Cycling Li-O2 batteries via LiOH formation and decomposition. Science, 2015; 350 (6260): 530 DOI: 10.1126/science.aac7730
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