"충전가능한 세상을 만들다"…노벨화학상에 리튬배터리 연구자들

리튬이온배터리 개발부터 상용화까지…"실생활의 혁신 이끌어"

(서울=연합뉴스) 신선미 기자 = 휴대전화와 노트북 등 소형 전자기기부터 전기자동차에 이르기까지 실생활에 널리 쓰이는 리튬이온배터리를 개발하고 발전시킨 과학자 3명이 올해 노벨화학상의 영예를 안았다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 9일 존 구디너프 미국 텍사스대 교수, 스탠리 휘팅엄 빙엄턴 뉴욕주립대 교수, 요시노 아키라 일본 메이조대 교수(아사히카세이 명예 펠로 겸직) 등 3명을 올해 노벨화학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

노벨위원회는 "리튬이온배터리는 포터블 전자기기용 전원으로 전 세계에서 통신, 업무, 연구, 음악 감상과 지식탐구에 이르기까지 모든 분야에서 사용되고 있고, 장거리 운행이 가능한 전기차 개발과 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 저장도 가능케 했다"면서 인류에 공헌한 연구 성과라고 평가했다.

[노벨위원회 홈페이지 화면 캡처]

노벨위원회에 따르면 리튬이온배터리의 기초는 1970년대 석유위기 때 마련됐다. 당시 휘팅엄 교수는 화석연료 없이 에너지를 생산하는 방법에 대한 연구를 진행했다.

그는 초전도체를 연구하다가 에너지가 아주 풍부한 소재를 발견했고, 이를 이용해 리튬배터리에 사용할 수 있는 혁신적인 양극재를 만들었다. 이황화타이타늄(TiS₂)이라는 이 소재는 층상 구조의 분자로 내부에 리튬이온을 수용할 공간을 가지고 있다.

당시 리튬배터리의 음극은 리튬금속으로 만들었다. 리튬금속은 전자를 방출하는 성질이 강하다. 이렇게 만든 리튬배터리는 2V 전위차를 가진 전기를 생산할 수 있다. 그러나 리튬 금속은 반응성이 매우 강해 폭발 위험이 너무 커서 상용화되지 못했다.

구디너프 교수는 리튬배터리의 양극재를 이황화타이타늄 대신 금속산화물로 만들면 성능이 훨씬 우수할 것이라고 예견하고 연구를 진행해 1980년대 리튬이온을 흡수할 수 있는 산화코발트 양극재를 개발했다. 그는 이 양극재를 사용해 4V의 전기를 생산할 수 있는 더 '강력한' 배터리를 선보였다.

박사후연구원으로 구디너프 교수와 함께 연구한 김영식 울산과기원(UNIST) 교수는 "기존에는 포터블 기기에 쓸 수 있는 배터리로 2V 정도의 납축전지 등이 나왔는데, 4V 이상의 배터리가 나오며 고에너지 밀도 배터리 개발의 가능성을 확인하게 됐다"고 의의를 설명했다.

실험실 내 '연구'에 머물렀던 리튬이온 전지를 실생활로 끌어낸 연구자가 요시노 교수다. 그는 구디너프 교수가 개발한 양극재를 가지고 1985년 최초의 상업용 리튬이온배터리를 만들었다. 음극재로는 반응성이 큰 리튬 대신 탄소로 이루어진 석유 코크스를 썼다. 현재도 리튬이온배터리의 음극재로는 탄소 소재가 사용되고 있으며 이들 전지는 수백번 충전할 수 있고 가벼운 데다 내구성도 우수하다.

조재필 UNIST 교수는 "배터리 사이즈가 작아지고 사용 시간이 늘어나며 모든 분야에서 혁명이 일어났다"면서 "리튬이온배터리는 특히 휴대전화의 급속한 발전을 이끌었다"고 평가했다.

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