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[과학다방] 모다리부터 유도 블랙벨트까지, 애정을 채워주는 사랑의 배터리 이야기│ 과학 기술, 다(多) 알게 되는 방, 과학다방 4편

과학자들의 연구실 밖 삶은 의외로 소소하고 따뜻한 이야기들로 가득합니다. 고된 박사 과정 시절 위로가 되어준 가수의 굿즈나, 운동을 통해 소중한 인연을 만난 유도 띠와 같은 애장품들은 이들이 연구에 몰두할 수 있게 해주는 정서적 버팀목이 됩니다. 젊은 시절 세상을 오직 연구실이라는 좁은 시야로만 바라보며 개인적인 취미조차 가지기 힘들었던 열정의 시간들이 있었기에, 지금의 작은 취미와 소지품들이 주는 행복은 더욱 특별하게 다가옵니다. 이러한 인간적인 면모는 딱딱하게만 느껴지는 과학 기술 이면에 숨겨진 연구자들의 진정성을 잘 보여줍니다. 학술 대회에서 자신이 개발한 물질이 언급되고 다른 연구자들의 아이디어에 영감이 되었다는 사실을 확인하는 순간은 과학자에게 큰 보람을 줍니다. 오랜 시간 공들인 논문이 학계에서 유의미하게 활용되고 있다는 피드백은 자존감을 높여줄 뿐만 아니라, 긴 연구 과정에서 마주하는 고립감을 극복하게 하는 강력한 에너지가 됩니다. 사회에 기여하고 있다는 확신은 단순히 지식을 탐구하는 단계를 넘어, 더 가치 있는 연구를 지속할 수 있게 만드는 실질적인 동력이 되어줍니다. 이러한 성취감은 연구실을 지키는 과학자들에게 무엇과도 바꿀 수 없는 큰 자산이 됩니다. 차세대 배터리의 발전은 하늘을 나는 자동차와 같은 미래 모빌리티의 실현을 앞당기고 있습니다. 특히 리튬 황 전지와 같은 신기술은 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 무게가 매우 가벼워, 드론이나 비행체에 적용하기에 최적의 조건을 갖추고 있습니다. 현재의 액체 전해질이 추운 날씨에서 점도가 높아져 효율이 떨어지는 한계를 극복하기 위해, 전 세계 연구자들은 영하의 극저온에서도 원활하게 작동하는 전해액 개발에 박차를 가하고 있습니다. 무게와 출력의 한계를 넘어서는 이러한 기술적 진보는 우리가 상상하던 미래의 모빌리티를 현실로 바꾸어 놓을 것입니다. 배터리 안전에 대한 관심이 높아지는 가운데, 일상에서의 올바른 사용 습관은 무엇보다 중요합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)이 내부 온도를 관리하지만, 사용자가 밀폐된 공간에서의 충전을 피하고 충전 중 기기 사용을 자제하는 행동은 실질적인 화재 예방 효과를 가져옵니다. 또한 기기 규격에 맞는 정품 충전 단자를 사용하는 사소한 습관이 전지의 수명과 안정성을 결정짓는 핵심적인 요소가 됩니다. 연구자들의 끊임없는 화재 원인 분석과 안전 가이드라인 제시는 사용자들이 더 안심하고 전자기기를 사용할 수 있는 환경을 조성하는 밑거름이 됩니다. 연구자들에게 배터리는 새로운 분야에 대한 끊임없는 '도전'이자, 다양한 기술적 요소들이 어우러진 '맛집'과 같습니다. 고분자 연구에서 배터리 분야로 영역을 넓히며 새로운 가능성을 모색하는 과정은 그 자체로 치열한 탐구의 여정입니다. 고출력, 장수명, 안전성, 그리고 경량화라는 네 가지 핵심 목표를 모두 달성하여 궁극의 성능을 내는 배터리를 개발하려는 이들의 목표는 단순한 기술 진보를 넘어 인류의 편리한 삶을 향해 있습니다. 과학자들의 집요한 열정과 탐구 정신은 배터리가 단순한 에너지 저장 장치를 넘어 미래 산업의 핵심 인프라로 확고히 자리 잡게 할 것입니다.

국가과학기술연구회

화학
융합
공학·기술

[과학다방] 습식부터 전고체 배터리까지 다 알려줄게│ 과학 기술, 다(多) 알게 되는 방, 과학다방 3편

일상에서 떼어놓을 수 없는 배터리의 미래를 위해 전문가들이 연구 중인 핵심 기술 중 하나는 '유기 골격체(COFs)'입니다. 이는 2023년 노벨 화학상 수상자의 연구와도 밀접한 관련이 있는 재료로, 쉽게 말해 분자나 이온이 들어가 살 수 있는 '나노 아파트'와 같은 구조를 가집니다. 이러한 독특한 나노 구조는 배터리 내에서 전해질이나 음극 보호층 역할을 수행하며 전지의 전반적인 성능 향상을 이끄는 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 배터리 제조 공정에서도 큰 혁신이 일어나고 있습니다. 기존의 습식 공정은 재료를 분산시키기 위해 용매를 사용해야 했고 긴 건조 과정이 필수적이었으나, 최근 주목받는 건식 전극 기술은 용매를 사용하지 않아 건조 단계를 생략할 수 있습니다. 이는 생산 에너지를 절감하고 환경 오염 문제를 해결하는 데 큰 도움이 됩니다. 또한 레고 블록처럼 전극을 모듈화하여 원하는 위치에 배치함으로써, 배터리의 부피를 줄이고 값비싼 재료의 사용을 최적화하는 고성능 전극 제조 기술이 새롭게 도입되고 있습니다. 최근 빈번하게 발생하는 배터리 화재 사고는 액체 상태의 전해액이 열이나 충격을 받았을 때 불쏘시개 역할을 하기 때문입니다. 이러한 위험을 근본적으로 차단하기 위해 타지 않는 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 연구가 활발히 진행 중입니다. 특히 500도 이상의 고온에서도 견디는 유기 골격체(COFs) 소재를 활용하면 화재 발생 가능성을 획기적으로 낮출 수 있습니다. 안전성이 담보된 차세대 배터리 기술은 폭발 위험 없는 안정적인 에너지 저장 수단으로서 미래 산업의 주역이 될 것으로 기대됩니다. 리튬 자원의 고갈 문제에 대비하여 리튬을 대체할 차세대 소재 발굴도 시급한 과제입니다. 현재 소듐 배터리나 리튬-황 전지, 리튬-메탈 전지 등 다양한 대안이 연구되고 있습니다. 특히 리튬-황 전지는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 8배나 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어, 상용화될 경우 1회 충전 시 사용 시간이 비약적으로 늘어나게 됩니다. 비록 소재의 화학적 불안정성으로 인해 개발에 시간이 걸리고 있지만, 전이 금속이나 희토류 의존도를 낮추려는 연구자들의 노력은 계속되고 있습니다. 우리의 일상 속 배터리 관리 습관 역시 안전과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 충전 시에는 열이 잘 발산되도록 통풍이 잘되는 곳을 선택해야 하며, 베개 밑이나 이불 속처럼 열이 고이는 환경은 피해야 합니다. 또한 겨울철에 배터리가 빨리 소모되는 이유는 낮은 온도에서 전해질 내부의 이온 이동이 둔해지기 때문입니다. 이러한 온도 민감성은 현재 배터리 기술의 한계이지만, 차세대 전고체 배터리 기술이나 새로운 전해질 개발을 통해 극복해 나갈 대상이기도 합니다.

국가과학기술연구회

화학
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초경량 리튬황전지, 하늘 나는 도심항공모빌리티(UAM)🚁 시대 앞당긴다!

우리의 일상에서 스마트폰과 노트북, 전기차에 이르기까지 리튬 이온 전지는 필수적인 에너지원으로 자리 잡았습니다. 하지만 현재의 리튬 이온 전지는 여러 한계에 직면해 있습니다. 우선 생산 비용이 높아 전기차와 같은 친환경 기술의 대중화를 늦추는 요인이 되며, 에너지 밀도 역시 킬로그램당 약 250Wh 수준에 머물러 있어 도심 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 운송 수단에 적용하기에는 부족합니다. 또한 제조부터 폐기 과정에서 발생하는 환경 오염 문제와 코발트, 니켈 등 희귀 금속 채굴에 따른 인권 침해 논란도 해결해야 할 과제로 남아 있습니다. 이러한 한계를 극복할 대안으로 리튬 황 전지가 주목받고 있습니다. 리튬 황 전지의 가장 큰 장점은 경제성과 친환경성입니다. 전지의 양극 소재로 사용되는 황은 지구상에 매우 풍부하게 존재하며 가격이 저렴하여 전지의 생산 원가를 획기적으로 낮출 수 있습니다. 또한 희귀 금속을 사용하지 않아 광물 채굴 과정의 환경 파괴를 줄일 수 있고, 황 자체가 자연에서 쉽게 분해되는 물질이라는 점도 매력적입니다. 이론적인 에너지 밀도 또한 리튬 이온 전지의 수 배에 달하는 2,600Wh/kg에 육박하여 차세대 전지로서의 가능성이 무궁무진합니다. 리튬 황 전지의 상용화를 위해서는 리튬 폴리설파이드 셔틀 현상이라는 난제를 해결해야 합니다. 이는 방전 과정에서 생성된 물질이 음극으로 이동하며 전지의 수명과 성능을 저하시키는 현상입니다. 이를 억제하기 위해 한국전기연구원(KERI)에서는 3차원 집전체 위에 탄소 나노튜브를 직접 성장시키고 그 안에 황을 삽입하는 혁신적인 양극 기술을 개발했습니다. 이 기술은 전극이 두꺼워져도 리튬 이온과 전자가 효율적으로 이동할 수 있는 통로를 제공하여 에너지 밀도를 높이는 동시에 두꺼운 전극에서 발생하는 성능 저하 문제를 동시에 해결하는 열쇠가 됩니다. 특히 한국전기연구원(KERI)은 금속 집전체를 아예 제거하고 탄소 나노튜브와 황만으로 구성된 양극을 개발하는 데 성공했습니다. 이를 통해 구현된 리튬 황 전지의 에너지 밀도는 세계 최고 수준인 400Wh/kg에 달합니다. 기존의 경량성과 저비용이라는 장점에 높은 에너지 밀도와 성능 안정성까지 더해지면서 상용화 가능성은 더욱 커졌습니다. 이러한 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 국제 학술지의 표지 논문으로 게재되기도 했습니다. 연구진은 리튬 폴리설파이드 셔틀 현상 해결을 위해 산화물계와 탄소계를 결합한 기능성 분리막 기술까지 확보하며 원천 특허를 넓혀가고 있습니다. 리튬 황 전지가 가져올 미래는 특히 항공 분야에서 빛을 발할 전망입니다. 도시 공간에서 사람과 물자를 운송하는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 위해서는 가볍고도 강력한 에너지를 내는 전지가 필수적이기 때문입니다. 리튬 황 전지는 드론, 플라잉카, 항공 우주 기기 등 장시간 운행과 가벼운 무게가 요구되는 미래형 모빌리티의 핵심 동력이 될 것입니다. 한국전기연구원(KERI)의 지속적인 연구와 기술 발전은 리튬 황 전지를 에너지 전환 시대의 핵심 기술로 자리매김하게 할 것이며, 더 높고 멀리 나는 미래 항공 기술의 든든한 날개가 되어줄 것입니다.

한국전기연구원KERI 연구·시험성과

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꿈의 배터리 전고체 전지, 언제부터 상용화할 수 있을까? | 연구원 팩트체크

전고체 전지는 미래 에너지 저장 장치의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 이 기술의 가장 큰 장점은 화재와 폭발 위험을 낮추는 뛰어난 안전성에 있습니다. 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 배터리의 열폭주 현상을 원천적으로 차단할 수 있기 때문입니다. 또한 최근에는 소재 및 설계 기술의 비약적인 발전을 통해 기존 리튬이온 전지를 넘어서는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 고에너지 밀도 특성은 전기차의 주행 거리를 획기적으로 늘리는 데 기여할 것입니다. 현재는 기술 상용화를 앞당기기 위해 설계 방법론을 더욱 고도화하는 연구가 활발히 진행 중이며, 이는 전고체 전지가 우리 실생활에 더 가까워지는 계기가 될 것입니다. 최근 연구 성과에 따르면, 독자적인 설계 방법론을 기반으로 0.5Ah급 용량과 310Wh/kg의 에너지 밀도를 갖춘 전고체 파우치 셀 개발에 성공했습니다. 이는 기존 리튬이온 전지의 성능 지표를 상회하는 수치로, 상용화 가능성을 입증한 중요한 이정표가 되었습니다. 현재는 실험실 수준의 성과를 넘어 대량 생산이 가능한 수준으로 기술을 끌어올리기 위해 다양한 요소 기술을 통합하는 데 집중하고 있습니다. 특히 소재의 특성을 극대화할 수 있는 정밀한 셀 조립 기술과 성능 분석 기법을 확보하여, 차세대 배터리 시장에서의 기술적 우위를 선점하기 위한 노력을 지속하고 있습니다. 국내외 배터리 산업은 현재 전고체 전지 주도권을 잡기 위해 사활을 걸고 있습니다. 배터리 3사와 완성차 업체는 물론 정부 부처에서도 대규모 연구과제를 추진하며 기술 경쟁력을 강화하는 추세입니다. 이에 발맞추어 한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터는 소재부터 공정, 셀 분석에 이르는 전반적인 응용 기술에 매진하고 있습니다. 특히 리튬금속 전지와 리튬황 전지를 아우르는 차별화된 인프라를 구축하여 산학연 연구자들에게 개방할 예정입니다. 이러한 공용 인프라 기반이 마련된다면 대한민국의 이차전지 기술이 세계 무대에서 더욱 도약하며 독보적인 위상을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다.

한국에너지기술연구원

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