리튬이온배터리 연구자 3人 ‘노벨화학상’ 선정

▲(사진=노밸위원회 홈페이지)

[에너지경제신문 오세영 기자] 휴대전화와 노트북부터 전기자동차까지 실생활에 널리 쓰이는 리튬이온배터리를 개발하고 발전시킨 과학자 3명이 올해 노벨화학상의 주인공이 됐다.

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

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

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 발견했다. 또 이를 이용해 리튬배터리에 사용할 수 있는 혁신적인 양극재를 만들었다. 이황화타이타늄(TiS₂)이라는 이 소재는 층상 구조의 분자로 그 안에 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 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.

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.