나노아파트

[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.