환경친화적인 알루미늄 배터리

환경친화적인 알루미늄 배터리

 

에너지 밀도가 기존 모델보다 2배 높고 공급량 풍부한 소재로 만들어

새 콘셉트는 각각 알루미늄과 안트라퀴논 기반 유기 소재로 만들어진 양극과 음극으로 이뤄진다.

/ 사진:CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY/YEN STRANDQVIST

한 연구팀이 학술지 에너지 스토리지 머티리얼스에 발표한 논문에서 일반적인 리튬 배터리보다 더 환경친화적인 알루미늄 배터리를 개발했다고 밝혔다. 에너지 밀도가 이전 모델들의 2배에 달하며 공급량이 풍부한 소재로 만들어진다.

 

전기차 같은 더 깨끗한 형태의 에너지를 이용하는 제품에 대한 관심이 갈수록 커지면서 리튬 배터리 수요가 증가한다. 그러나 이런 배터리에 사용하는 소재는 특유의 환경 문제들을 수반한다. 리튬을 채굴할 때 주변 지역으로 독성 화학물질이 유출되면서 대기·수질·토양이 오염돼 지역 생태계를 크게 해칠 수 있다. 전통적인 배터리에 사용되는 또 다른 제품인 코발트는 채굴자의 건강과 환경에 악영향을 미칠 수 있다.

 

그러나 더 환경친화적인 대안을 개발하려는 시도가 항상 성공적이지는 않았다. 양극(the anode)에 알루미늄을 사용하는 과거의 디자인은 음극(the cathode)에 흑연을 사용했다. 이 방식의 문제는 흑연의 에너지 함량이 너무 낮아 배터리의 실용성이 떨어진다고 과학자들은 말한다. 쉽게 말해 소비자가 흥미를 느낄 만큼 효율적이지 않다는 뜻이다.

 

이런 딜레마를 극복하기 위해 스웨덴 찰머스 공과대학과 슬로베니아 국립화학연구소 연구팀이 흑연 음극을 안트라퀴논(anthraquinone)이라는 유기성 탄소 기반 분자 소재로 대체했다. 그에 따라 배터리 전해액(이온을 함유하는 액체 또는 젤)의 양전하 운반체를 저장할 수 있어 에너지 밀도가 높아진다. 찰머스 공과대학의 니클라스 린달 연구원은 “새 음극 소재는 더 적합한 전하 운반체를 이용할 수 있어 배터리가 알루미늄의 잠재력을 더 잘 활용할 수 있다”고 말했다.

 

그러나 연구팀은 아직 부족하다며 전해액을 개선할 방법을 강구할 계획이다. 린달 연구원은 “지금은 더 우수한 전해액을 만들기 위해 계속 연구한다”며 “현재 모델에 함유된 클로린을 제거하고자 한다”고 덧붙였다.

 

이 배터리는 우리가 오늘날 사용하는 리튬 배터리보다 제조원가가 낮은 별도의 경제적 이점도 수반한다. 찰머스 공과대학 물리학과 패트릭 요한손 교수는 “새 콘셉트에서 우리가 예상하는 소재 비용과 환경영향이 현재 수준보다 훨씬 낮아 예컨대 태양광 발전소나 풍력 에너지 저장 같은 대규모 용도로 적합하다”고 설명했다. “아울러 우리 신형 배터리 콘셉트의 에너지 밀도는 오늘날 ‘첨단’인 알루미늄 배터리의 2배에 달한다.

 

그렇다면 가까운 미래 언젠가 리튬 배터리가 사라지고 알루미늄으로 대체되리라고 봐야 할까? 요한손 교수는 “물론 그렇게 되기를 기대한다”고 말했다. “그러나 무엇보다도 필요한 곳에만 리튬 이온 배터리가 사용되도록 보완적인 역할을 할 수 있다. 지금까지 알루미늄 배터리의 에너지 밀도는 리튬이온 배터리의 절반에 불과하지만 우리는 장기적으로 같은 수준으로 끌어올리려는 목표를 갖고 있다. 전해액을 개선하고 더 우수한 충전 메커니즘을 개발할 여지가 남아 있다. 하지만 알루미늄은 모든 이온이 여러 개의 전자를 보완하는 다가(multivalent)이기 때문에 원칙적으로 리튬보다 훨씬 우수한 전하 운반체다.

 

– 로지 매콜 뉴스위크 기자