미래의 배터리: 면과 바닷물로 기계 장치에 전력을 공급할 수 있을까

• 크리스 바라니크
• BBC 퓨처

2023년 11월 11일

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미래의 배터리에 활력을 불어넣을 수 있는 물질 후보는 점점 더 다양해지고 있다

리튬 등 배터리에 필요한 광물의 채굴 과정이 환경에 점점 더 큰 영향을 미치고 있다. 하지만 우리 주변에는 이 광물을 대체할 가능성이 가진 자원들이 있다.

갑자기 전기가 나갔다. 하지만 인도의 어느 거리에선 이런 상황에서도 현금 인출기를 이용할 수 있다. 면화가 이를 가능하게 해주는 원인 중 하나다. 현금 인출기에 내장된 백업 배터리에 면화를 연소시켜 얻은 탄소가 들어 있기 때문이다.

이 배터리를 만든 일본 기업 'PJP 아이'의 최고 정보 책임자 오키나 인케츠는 "배터리를 만드는 정확한 과정은 비밀"이라고 말했다. "온도도, 공기도 비밀입니다. 압력도 비밀이죠."

다만 오키나는 3000도 이상의 고온이 필요하다고 했다. 그리고 면화 1kg에서 200g의 탄소가 나오는데, 각 배터리 셀에 필요한 탄소는 2g 정도다. 그래서 회사가 2017년에 구입한 면화가 아직 남아있다고 오키나는 전했다.

PJP 아이가 일본 규슈대 연구진과 함께 개발한 배터리에는 충전 입자 이온이 흐르는 두 전극 중 산화전극에 탄소를 사용한다. 배터리가 충전중인지 아니면 기기에 전력을 제공하는지 여부에 따라 이온이 이동하는 방향은 달라진다. 일반적으로 배터리 산화전극에는 흑연을 많이 사용한다. 때문에 섬유 산업에서 폐기되는 면으로 흑연을 대체할 수 있기에 자사의 접근법이 더 지속 가능하다고 PJP 아이는 주장한다.

오늘날 전기 자동차와 대형 에너지 저장 시스템이 부상하고 있다. 배터리 수요는 향후 몇 년간 급증할 전망이다. 때문에 학계와 산업계에선 현재 가장 많이 쓰이는 리튬 및 흑연을 대체할 소재 개발에 열을 올리고 있다. 그리고 많은 이들이 PJP 아이처럼 훨씬 지속 가능하고 널리 이용 가능한 소재로 배터리를 만들 수 있다고 주장한다.

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전기 자동차 수요 증가는 고성능 배터리 소재를 지속가능한 방식으로 공급해야 한다는 것을 의미한다

리튬 채굴은 환경에 상당한 영향을 미친다. 리튬을 추출하려면 많은 양의 물과 에너지가 필요하고, 이 과정에서 자연 경관에 큰 상처가 남는다. 채굴된 리튬은 정제를 위해 채굴된 곳에서 중국 같은 먼 지역으로 운송되는 경우가 많다. 흑연 역시 화석 연료를 활용해 채굴하거나 만들어지는데, 이 두 가지 모두 환경에 부정적인 영향을 미친다.

샘 윌킨슨 'S&P 글로벌 커머디티 인사이트' 애널리스트는 "배터리 재료가 채굴과 운송 과정을 거치면서 탄소 발자국이 실제로 얼마나 늘어날지는 쉽게 상상할 수 있다"고 말했다.

또 다른 예로 많은 리튬 이온 배터리에 쓰이는 코발트는 주로 콩고민주공화국에서 채굴된다. 하지만 그곳의 작업 환경이 위험하다는 지적이 나오는 상황이다.

오늘날 자연 속에 있는 바닷물, 바이오 폐기물, 천연 색소에 이르기까지 보다 광범위하기 사용할 만한 잠재적 대안이 떠오르고 있다. 문제는 이들이 현재 시중에 있는 배터리와 경쟁할 수 있음을 증명하는 것이다.

PJP 아이는 배터리의 친환경성 뿐만 아니라 성능을 개선할 수 있는 가능성을 내세우고 있다. 오키나는 "우리가 사용하는 탄소는 흑연보다 표면적이 더 넓다"며, '캠브리안 싱글 카본 배터리'는 기존 리튬 이온 배터리보다 최대 10배 빠른 속도로 충전할 수 있다고 설명했다.

배터리의 환원전극은 "베이스 메탈(공기중에서 쉽게 산화하는 금속)" 산화물로 만들어진다. 오키나가 정확히 어떤 금속인지 밝히지 않았지만, PJP 아이가 사용하는 베이스 메탈은 구리와 납, 니켈, 아연 등일 것이다. 이 회사는 또 식물성 탄소로 양쪽 전극을 만든 이중 탄소 전극 배터리를 개발 중이라고 했다. 이 기술은 큐슈대의 연구를 기반으로 하지만, 적어도 2025년까지는 출시되기 어려워 보인다.

현금 인출기에선 배터리를 얼마나 빠르게 충전할 수 있느냐는 그다지 중요하지 않다. 하지만 전기 자동차 배터리를 충전할 때는 매우 중요한 문제다. 오키나는 중국 기업 '고치아'와 '히타치'와 협력해 PJP 아이 배터리를 사용하는 전기 자전거를 개발했다고, 2023년 내에 일본에서 판매할 것이라고 했다. 그의 설명에 따르면, 이 자전거의 최대 속도는 시속 50km이며, 한 번 충전으로 70km를 이동한다.

버려지는 소재에서 탄소를 추출해 배터리를 만드는 곳은 이 기업만 있는 것이 아니다. 핀란드의 '스토라 엔소'는 나무에서 발견되는 고분자인 리그닌에서 추출한 탄소로 배터리 산화전극을 개발했다.

 

 

일부 학자들은 산화전극과 환원전극 사이의 이온 흐름을 촉진하는 전해질 대신에 면을 사용할 수 있으며, 면을 사용하면 지금보다 더 안정적인 고체 배터리를 만들 수 있다고 주장한다.

어떤 이들은 더 크고 잠재적으로 무궁무진한 자연 에너지원을 주목한다. 독일 '헬름홀츠 울름 연구소' 부소장인 스테파노 파세리니는 전 세계의 광활한 바다가 "사실상 무한한" 배터리 재료 저장고라고 주장했다.

파세리니는 2022년 5월에 동료들과 발표한 논문에서 바닷물에서 소듐(나트륨) 이온을 옮겨 금속 소듐으로 만드는 식의 배터리 설계를 제시했다. 이를 위해 연구팀은 소듐 이온이 통과할 수 있는 특별한 고분자 전해질을 설계했다.

여기서 바닷물은 환원전극, 또는 양전하를 띤 전극 역할을 한다. 그러나 소듐은 음전하를 띠지 않고 중성 형태로 쌓이기 때문에, 이 배터리엔 산화전극이 없는 셈이다. 파세리니는 풍력이나 태양 에너지를 사용해 소듐을 쌓고, 필요할 때까지 보관할 수 있다고 말했다.

그는 "에너지가 필요할 때 이 과정을 역으로 돌려 전기를 생산할 수 있다"며, 금속이 바다로 환원되는 방법을 설명했다.

하지만 여기에는 문제가 있다. 간단히 말해서 쇼듐은 리튬과 마찬가지로 물을 만나면 활발하게 반응한다. 파세리니의 말처럼 "폭발할 수 있다"는 것이다. 따라서 바닷물이 나트륨 저장소로 새어들지 않게 하는 것이 매우 중요하며, 그렇지 못하면 큰 문제가 생길 수 있다.

때문에 어떤 연구자들은 환원전극의 보다 안전한 대안으로 위해 우리의 뼈와 치아 등 여러 곳에서 자연적으로 발견되는 물질(칼슘)을 살펴보고 있다. 칼슘을 칼슘 이온의 이동을 돕는 실리콘과 섞어 미래 배터리를 만드는 구상이 한 예다.

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세계에서 가장 위대한 발명품 중 하나인 배터리

미래의 배터리에 활력을 불어넣을 수 있는 물질 후보는 점점 더 다양해지고 있다. 뉴욕 시립대의 조지 존과 동료들은 오랫동안 식물 유기체에서 발견되는 색소인 퀴논을 배터리의 전극으로 사용할 수 있는지를 연구해 왔다. 그리고 헤나(적갈색 염료)에서 추출한 분자에서 유망한 결과를 얻기도 했다.

존은 "이것이 우리의 꿈"이라며 "우리는 지속 가능한 배터리를 만들고 싶다"고 말했다.

그는 이 연구의 장애물 중 하나가 천연 헤나 분자가 물에 매우 잘 녹는 점이라고 했다. 환원전극으로 사용하면 헤나가 서서히 녹아 액체 전해질이 되는 것이다. 하지만 존은 네 개의 헤나 분자를 결합하고 리튬을 추가해, 훨씬 더 견고한 결정 구조에 재활용도 가능한 물질을 만들 수 있었다고 말했다.

"단단한 결정을 맺는 성질이 커지고, 물에 녹는 성질은 약해집니다."

존은 자신과 동료들이 연구중인 배터리는 전기 자동차에 전력을 공급할 만큼 용량이 크지는 않지만, 소형 웨어러블 기기에는 사용될 수 있을 것이라고 했다. 당뇨병 환자의 혈당 수치나 기타 바이오마커를 측정하는 기기 등에 쓰일 수 있을 것이라는 기대다.

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리튬 채굴은 환경에 큰 타격을 주며, 종종 전체 자연 경관을 바꾸어 놓는다

다른 연구자들은 옥수수 폐기물이나 멜론 씨앗 껍질과 같은 재료로 배터리에 사용할 새로운 전극을 만드는 법을 모색중이다. 그러나 배터리 산업의 증가하는 수요를 충족할 수 있는 규모로 전극을 생산해야 한다는 과제가 있다.

그리고 대안적인 배터리 소재들이 가진 전반적인 과제는 항상 예상치 못한 수요를 충족시켜야 한다는 점이다. 오늘날의 리튬 및 흑연 기반 배터리 기술을 예로 들어보자. 맥스 리드 '우드 맥켄지' 애널리스트 는 이 기술을 계속 사용한다면 2030년까지 전 세계는 급성장하는 배터리 산업을 충족하기 위해 연간 약 2메가톤의 흑연이 필요할 것으로 추산했다. 이는 현재 연간 사용량인 700킬로톤 대비 엄청나게 많은 양이다.

리드는 "실제 수요는 세 배나 늘어난다"고 말했다. 때문에 흑연의 대체재는 이러한 높은 기준을 충족시킬 수 있어야 한다. "이러한 공급 규모를 갖추는 것은 어떤 신소재로도 엄청나게 힘든 일입니다."

현재 캘리포니아에서 컨설턴트로 활동중인 배터리 과학자이자 엔지니어인 질 페스타나는 흑연에 맞춰진 제조 공정을 바꾸는 것은 비용이 많이 들고 잠재적으로 큰 상업적 위험을 초래할 수 있다고 지적했다.

페스타나는 탄소 산화전극에 바이오 폐기물을 사용하는 것에도 회의적이다. 출처가 항상 환경 친화적인 것만은 아닐 수 있기 때문이다. 나무만 봐도 플랜테이션 농장은 생물 다양성 파괴하고 있다.

반면 소비자들이 제품의 지속 가능성에 많은 관심을 갖는 시장에서는 지속가능한 방식으로 공급되는 대체 배터리 재료가 더 많은 기회를 가질 수 있다. 그 재료가 바이오 폐기물이든 다른 잠재적 대안이든 말이다. 페스타나는 "이러한 노력에서 진전을 이뤄내는 데 대중이 큰 역할을 할 수 있다"고 말했다.

 

 

 

 

 

 

 

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