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미래의 배터리, 무게가 나가지 않고 눈에 보이지 않는다?
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미래의 배터리, 무게가 나가지 않고 눈에 보이지 않는다?
과거에 구조 배터리 연구 진행 부흥기가 존재했다. 당시 전력을 공급하는 에너지 저장소를 기기와 차량 내부에 설치하려는 목표로 연구가 진행됐다.
By DANIEL OBERHAUS, WIRED US

2020년 9월, 일론 머스크는 테슬라 배터리 데이 행사에서 수많은 약속을 했다. 그는 테슬라가 머지않아 100% 실리콘 양극으로만 제작된 배터리로 차량 주행이 가능할 것이라고 말했다. 차량의 성능을 향상하고 음극의 코발트 사용량을 줄여, 가격을 절감하기 위한 목적이다. 테슬라의 전기차 배터리 팩은 섀시에 통합돼 에너지와 함께 기술적으로 지원할 수 있을 것이다. 바로 머스크가 차량 무게를 10% 줄이고 주행 거리를 늘릴 수 있다고 주장한 이유이다. 또, 테슬라의 구조 배터리를 엔지니어링의 혁명이라고 적극적으로 극찬했다. 그러나 일부 배터리 전문가는 머스크가 선언한 것보다 더욱 뛰어난 배터리가 등장할 것이라고 주장한다.

영국 임페리얼 칼리지 런던 소속 물질 과학자이자 로열 아카데미의 떠오르는 기술부 엔지니어링 대표인 에밀 그린할(Emile Greenhalgh) 박사는 “머스크가 발표한 배터리는 우리 연구팀이 10년 전에 개발한 것이다”라고 주장한다. 그린할 박사는 구조 배터리 분야와 배터리 및 배터리가 전력을 공급하는 물질 간 경계를 없애는 에너지 저장 접근 분야의 세계 최고 전문가 중 한 명이다. 그는 “현재 우리 연구팀은 머스크가 이미 발표한 계획을 넘어설 배터리를 개발하고 있다. 우리 연구팀이 연구하는 배터리 중, 다른 부품에 끼워 넣는 배터리는 없다. 배터리 자체가 에너지 저장 기기이다”라고 말한다.

오늘날 배터리는 대부분 전자 기기의 크기와 무게를 결정하는 중요한 부분을 차지한다. 스마트폰은 대부분 몇 가지 프로세서가 주변에 탑재된 셀에 리튬이온 배터리를 적용한다. 드론은 제품에 내장 가능한 배터리 크기에 따라 제한이 있다. 전기 차량의 무게 중 1/3은 배터리 팩의 무게이다. 배터리 무게 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 기존의 배터리 자체를 차량 구조의 한 부분으로 만드는 것이다. 바로 테슬라가 구상하는 계획과 같다. 배터리 팩을 지지하기 위해 차량의 하단을 사용하는 대신 배터리 팩 자체가 차량의 하단이 되는 것이다. 

그러나 그린할 박사 연구팀은 테슬라의 계획보다는 배터리 팩을 없애고 차량의 본체를 에너지 저장소로 사용하는 것이 미래에 더욱 유망한 접근 방식이라고 생각한다. 차량 섀시에 적용된 기존 배터리 팩과 달리 연구팀이 생각하는 구조 배터리는 눈에 보이지 않는다. 전기 저장은 차량의 프레임을 구성하는 복합 재료의 얇은 층에서 이루어진다. 배터리는 어느 정도 무게가 전혀 나가지 않는다. 차량 자체가 배터리이기 때문이다. 그린할 박사는 “차량 재료가 두 가지 역할을 동시에 수행한다”라고 말한다. 새로운 전기차 배터리 설계 방식은 차량의 성능이 매우 훌륭하며 안전성도 개선한다. 차량 내부에 에너지 밀도가 높고 발화 위험이 있는 배터리 셀 수천 개를 탑재할 필요가 없기 때문이다.
 
[사진=Freepik]
[사진=Freepik]

스마트폰이나 전기 배터리 팩 안에 들어있는 리튬이온 배터리에는 음극과 양극, 전해질, 분리막이라는 네 개의 주요 구성요소가 있다. 배터리가 전력을 방출할 때, 리튬이온에서는 전기 회로의 단락을 막기 위해 전력이 흐르도록하는 분리막으로 나누어진 음극에서 양극으로 전해질이 흐른다. 기존 배터리에서 이러한 요소들은 웨딩 케이크처럼 여러 개의 층을 구성하거나 젤리롤 같은 형태로 서로를 감싸고 있다. 적은 전력으로 최대한 많은 에너지를 담기 위한 목적이다. 그러나 구조 배터리는 큐브나 실린더 같은 형태가 아니다. 비행기 날개, 차량 본체, 스마트폰 케이스 등과 같은 형태이다.

2000년대 중반, 미군이 셀의 전극을 위해 탄소섬유를 이용해 구조 배터리를 최초로 개발했다. 탄소섬유는 가볍고 매우 강력해, 항공기와 고성능 차량의 본체를 형성하는 데 자주 사용한다. 또, 리튬이온을 저장하기 때문에 일반 리튬이온 배터리의 양극에 사용하는 흑연과 같은 탄소 기반 물질을 대체하기 좋은 수단이다. 그러나 구조 배터리에서 인산철과 같은 반응 물질로 채워진 탄소섬유는 음극으로도 사용된다. 음극이 배터리 지지에 필요하기 때문이다. 얇은 우븐 글래스가 두 전극을 분리한다. 이때 분리된 층이 전기화학 젤로의 생산물과 같은 전해질에 매달린다. 두께가 100만 분의 1m 수준이며, 원하는 모양으로 자를 수 있다.

스웨덴 칼머기술대학교 물질 과학자인 레이프 아습(Leif Asp) 박사는 지난 10년간 구조 배터리 연구에 앞장섰다. 2010년, 아습 박사와 그린할 박사, 그리고 유럽 과학자 연구팀이 스토리지(Storage)라는 프로젝트에 협력했다. 구조 배터리를 제작하고 이를 하이브리드 볼보 원형에 통합하는 프로젝트이다. 아습 박사는 기존 배터리의 특징이 ‘기생충과 같은 구조’라고 설명하며, “당시 스토리지 프로젝트가 사회에 엄청난 영향을 미칠 것으로 생각하지 않았다. 그러나 프로젝트를 진행하면서 매우 유용한 아이디어라는 사실을 깨닫게 됐다”라고 말했다. 그는 구조 배터리의 주요 장점으로 같은 거리를 주행하는 데 전자 배터리가 소모하는 에너지양이 줄어든다는 점을 언급했다. 그는 “에너지 효율성에 중점을 두어야 한다”라고 주장했다. 인류가 사용하는 전기 대부분 화석 연료로 생산되는 세계에서 모든 전자가 기후 변화에 맞서 싸우는 데 중요하다.

3년간 진행된 스토리지 프로젝트를 통해 연구팀은 상업용 리튬이온 배터리를 공기 흡입구를 엔진으로 조정하는 수동 회로 요소인 플레넘 커버에 통합하는 데 성공했다. 차량의 메인 배터리는 아니었다. 엔진이 일시적으로 꺼졌을 때, 차량 내부 에어컨과 음악 재생 장치, 불빛에 전기를 공급하는 작은 보조 배터리 팩이다. 주행 중인 차량 본체에 통합된 구조 배터리의 개념을 최초로 증명한 것이다. 게다가 본질적으로 테슬라가 달성하고자 하는 목표를 작은 범위에서 이루어낸 것이기도 하다.

그러나 기존의 리튬이온 배터리 셀을 다량으로 차량 본체에 내장하는 것은 자체적으로 배터리 역할을 하는 차량 본체를 제작하는 과정보다 효율성이 낮다. 스토리지 프로젝트 과정에서 아습 박사와 그린할 박사는 트렁크 뚜껑에 사용하는 구조적 강화콘덴서도 함께 개발했다. 강화콘덴서는 배터리와 비슷하지만, 에너지를 화학 반응이 아닌 정전하로 보관한다. 볼보가 생산한 트렁크는 절연층으로 분리된 미립자 산화철과 산화마그네슘으로 가득 찬 두 개의 탄소섬유 층으로 구성됐다. 전체적으로 합판으로 쌓여있으며, 트럭 형태로 제작됐다.

강화콘덴서는 배터리만큼 많은 에너지를 보유하지 않는다. 그러나 소량의 전하를 빠르게 전달한다. 그린할 박사는 구조적 강화 콘덴서 제작이 더욱더 쉬웠으며, 배터리 제작 과정에서도 같은 작업을 완료하기 위해 필요하고 도움이 되는 과정이었다고 말한다. 볼보는 구조적 에너지 저장이 전기 배터리에서 성공적이라는 개념을 입증했다. 구조 배터리에 대한 수많은 광고를 생성한 스토리지 프로젝트의 성공도 함께 입증했다. 그러나 이러한 열정적인 노력에도 불구하고 프로젝트 다음 단계를 진행하기 위해 유럽위원회에서 자금을 얻기까지 몇 년이 소요됐다. 그린할 박사는 재정적 어려움에 대해, “구조 배터리는 매우 어려운 기술이기 때문에 천문학적인 비용이 필요하다. 연구팀은 더 많은 자금 지원을 받았으며, 실제로 자금이 증가하기 시작했다”라고 전했다.
 
[사진=Freepik]
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2020년 여름, 연구팀은 소서러(Sorcerer) 프로젝트를 완료했다. 상업용 항공기에 사용할 리튬이온 배터리 개발이라는 목표로 진행한 프로젝트이다. 이견은 있지만, 항공 분야는 구조적 에너지 저장 기술이 필요하다. 상업용 항공기의 에너지 방출량은 막대하지만, 여객기 충전이 주된 문제이다. 에너지 충전 과정에서 막대한 양의 에너지가 필요하기 때문이다. 항공기 연료는 환경에 매우 유해하지만, 최신 리튬이온 셀보다 에너지 밀도가 약 30배 더 높다. 탑승 정원이 150인인 일반 항공기 기준 승객 1인당 배터리가 1톤 가까이 필요하다는 의미이다. 기존의 셀로 항공기를 충전하려 한다면, 해당 항공기는 절대 이륙할 수 없다.

에어버스와 같은 기존의 항공 기업과 주눔(Zunum)과 같은 스타트업 모두 여객기 충전 연구를 몇 년 동안 진행해왔다. 그러나 연구에 성공을 해도 기존 셀로 가득 찬 항공기에 충전기를 탑재한다면 중대한 안전 위험이 발생할 수 있다. 대형 배터리 팩에서의 단락은 재앙과도 같은 화재나 폭발 사고로 이어질 위험을 의미한다. 그린할 박사는 “항공 부문은 배터리 개발에 있어 매우 보수적인 태도를 보인다. 비행기에 실제 높은 전력을 지닌 배터리를 탑재하는 것에 불안해하고 있다”라고 설명한다. 고체 전해질 등 급격히 부상하는 배터리 화학 기술이 위험성을 낮출 수 있다. 그러나 여객기에 필요한 막대한 에너지양을 충족시키는 일은 여전히 구조 배터리로 해결하기에는 매우 어려운 일이다.

아습 박사는 소서러 프로젝트의 일환으로 동료와 함께 탄소섬유의 얇은 층으로 이루어진 구조 배터리를 제작했다. 항공기 객실이나 날개의 구성 요소로 사용될 수 있다는 가능성 때문이다. 소서러 프로젝트 팀은 실험용 배터리 개발 과정에서 10여 년 전 실시한 스토리지 프로젝트의 배터리보다 역학적 성질과 에너지 밀도를 대대적으로 개선했다. 아습 박사는 “이제 에너지 저장 용량과 연구팀이 대체하고자 하는 역학적 성질 모두 최소 20~30% 담고 있는 재질로 배터리를 제작할 수 있다”라고 밝혔다.

그러나 구조 배터리를 전 세계 시장에 선보일 것을 고려했을 때, 기술적 문제 외에 다루어야 할 문제가 많다. 자동차 업계와 항공 업계 모두 엄격한 규제를 받고 있다. 또, 제조사는 이윤이 극소수인 상태에서 운영된다. 차량과 항공기에 새로운 재질을 적용하려면 규제 당국에는 안전성을, 제조사에는 기존 재질보다 성능이 훨씬 뛰어나다는 사실을 입증해야 한다.

구조 배터리가 에너지를 충전하고 방출하면서 리튬이온은 배터리의 형태와 역학적 성질을 바꿀 탄소섬유 음극 안과 밖을 이동한다. 제조사와 규제 당국이 구조 배터리 사용 시 어떤 반응을 일으킬지, 그리고 차량 성능에 어떤 영향을 미칠지를 정확히 예측하는 것이 중요하다. 그린할 박사와 아습 박사는 이러한 목적을 달성하기 위해 구조 배터리로 제작한 차량 구조가 사용 도중 어떤 식으로 바뀔지 정확히 입증하는 수학적 모델을 만들고 있다. 아습 박사는 구조 배터리가 차량에 적용되려면 10년 이상 걸릴 것으로 예상한다. 막대한 전력 수요와 규제 문제 때문이다. 반면, 구조 배터리가 차량에 적용되기 전, 소비자 가전에는 보편적으로 사용되리라 예측했다.

퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 배터리 및 물질 시스템(Batteries & Materials System) 부문 수석 과학자 겸 매니저인 지에 샤오(Jie Xiao) 박사도 이에 동의한다. 그는 초소형 전자 공학 분야기 특히 유망하면서 종종 간과하기 십상인 응용 분야라고 전한다. 구조 배터리는 손가락 끝에도 불편함 없이 사용 가능한 장치로 사용 가능하며, 특히 의학용 임플란트에 유용하다. 그러나 우선 배터리를 충전할 방법이 필요하다.

샤오 박사는 “구조 배터리가 초소형 전자 공학에 매우 큰 도움이 된다. 전력량이 매우 제한적이기 때문이다”라고 말한다. 기존 배터리를 쌀 알갱이와 같은 크기로 줄일 수 있다면 배터리 셀이 초소형 전자 공학 분야에서 매우 중요한 부분을 차지할 것이다. 그러나 구조 배터리는 기기 그 이상의 공간을 차지하지  않는다. 샤오 박사 연구팀은 구조 배터리가 구부려지거나 비틀어졌을 때, 전극 간의 정렬을 유지할 방법 등 초소형 배터리 설계의 본질적인 문제를 연구해왔다. 그는 “설계에서부터 양극과 음극이 서로 부딪히는 것이 중요하다. 따라서 완전히 비어있는 공간을 이용하더라도 전극의 정렬이 일치하지 않는다면 화학 반응을 일으키지 않는다. 따라서 불규칙한 형태의 구조 배터리 설계의 한계가 발생하는 것”이라고 설명했다.

샤오 박사 연구팀은 초소형 구조 배터리 제작을 위해 여러 틈새 과학 응용 분야를 연구해왔다. 그중 대표적인 분야가 연어와 박쥐의 주입식 추적 태그이다. 그러나 샤오 박사는 인공 삽입용 전자 피부와 같이 급부상하는 기술과 같이 주요 응용 분야를 찾기 전까지 어느 정도 시간이 소요될 것이라고 말한다. 그러나 구조 배터리는 에너지가 부족한 로봇 산업에 축복이 될 수 있다. 미시간대학교 앤아버 캠퍼스에서 화학자 겸 화학 엔지니어인 니콜라스 코토브(Nicholas Kotov) 박사는 졸업생과 함께 개발한 소형 생체 모방 로봇 개발품을 관리한다. 그는 “유기체는 저장된 에너지를 신체를 통해 배포한다. 따라서 두 가지 혹은 세 가지 기능을 수행하는 것이다. 지방을 대표적인 예시로 언급할 수 있다. 지방에는 많은 에너지 저장소가 있다. 그러나 문제는 이를 배터리에 어떻게 복제하는가이다”라고 말한다.

코토브 박사 연구팀의 목표는 동물을 흉내내는 로봇을 개발하는 것이다. 이 과정에는 인체에 포함된 지방, 근육과 같이 로봇의 뼈대에 통합할 수 있는 전력 소스가 필요하다. 코토브 박사 연구팀이 가장 최근 개발한 제품 중에는 로봇 전갈과 거미, 개미, 애벌레 등이 있다. 모두 바닥을 빠르게 기어 다닌다. 모두 로봇의 움직이는 부분에 특유의 구조 배터리가 통합됐다. 배터리는 은색 껍데기 형태로 로봇의 후면에 내장됐으며, 로봇 기계에 에너지를 공급하며 로봇을 보호한다. 부자연스러움을 개선하기 위해 자연적으로 신호를 받는다.

아습 박사와 그린할 박사가 개발한 탄소섬유나 리튬이온 소재와 달리 코토브 박사 연구팀은 로봇에 사용할 목적으로 아연 공기 구조 배터리를 제작했다. 아연 공기 셀은 기존 리튬이온 셀보다 훨씬 많은 에너지를 보관할 수 있다. 아연 양극과 탄소섬유 음극, 연골을 흉내 내기 위해 나노 공학으로 생산된 폴리머 기반 나노 섬유로 만들어진 반경화 전해질로 구성됐다. 아연 공기 구조 배터리의 에너지 저장소는 공기 중 산소가 아연과 상호작용을 하면서 생산된 수산화 이온이다.

차량용 구조 배터리는 매우 단단하지만, 코토브 박사 연구팀의 셀은 로봇의 움직임을 다루기 위해 유연하게 제작됐다. 에너지 밀도가 매우 높다는 특징도 있다. 코토브 박사 연구팀은 2020년 초 게재한 논문을 통해 연구팀의 구조 배터리의 에너지 용량이 같은 전력의 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 용량이 72배 더 높다고 주장했다. 이를 입증하기 위해 현재 연구팀의 배터리는 장난감 로봇과 소형 드론에 전력을 공급하는 용도로 사용된다. 그러나 코토브 박사는 조만간 배터리가 중형 로봇과 취미용 대형 드론에도 적용되리라 기대한다. 그는 “드론과 중형 로봇은 에너지 저장을 위한 새로운 솔루션이 필요하다. 우리 연구팀이 개발한 구조 배터리가 일부 솔루션을 제공할 수 있다고 장담한다”라고 말했다.

배터리는 항상 부품이자 제한적인 요소, 그리고 에너지를 소모하는 기생충과 같은 존재라는 인식이 존재했다. 오늘날 배터리는 인간의 눈에서 사라질 것이다. 전자화된 시대의 구조로 녹아든다는 의미이다. 미래에는 모든 것이 배터리가 될 수 있다. 또, 독자형 에너지 저장소도 유선 전화기, 휴대용 CD 플레이어처럼 구시대 유물로 취급받을 수 있다. 배터리는 위대한 마술처럼 찾아보기 힘든 제품이 될 것이다. 지금은 배터리를 눈으로 보고 있지만, 조만간 배터리를 볼 수 없을 것이다.
 
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
 
<기사원문>
The Batteries of the Future Are Weightless and Invisible
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