2019 노벨 화학상 수상자들:존 구디너프(John B. Goodenough) 스탠리 위팅엄(M. Stanley Whittingham) 요시노 아키라( Akira Yoshino)

 

 

 

 

2019년 노벨 화학상을 수상한 세명의 과학자들:

(왼쪽부터)1922년 독일 예나 태생이며 미국에서 활동하는 존 구디너프(John B Goodenough), 

1941년 영국 태생인 스탠리 휘팅엄 (M Stanley Whittingham)과

1948년 일본의 수이타에서 태어난 요시노 아키라(Akira Yoshino)

Photograph: Niklas Elmehed

 

 

 

 

 

 

셀폰부터 랩탑 컴퓨터, 전기차등 다양한 문명의 이기들에

꼭 필요한 리튬-아이언 배터리를 개발한 업적으로 올해 노벨 화학상을

수상한 세 과학자들을 2019년 10월 9일에 스톡홀름에서 발표하고 있다.

photo: Naina Helen Jama

 

 

 

로얄 스웨덴 과학 아카데미는 2019년 10월 9일 오늘 노벨 화학상 수상자로

현대인들의 삶에서 뗄레야 뗄 수 없는 셀폰, 스마트 폰, 랩탑 컴퓨터, 카메라, ipod에서 세동제거기,

전기차 등 다양한 전자제품 사용이가능하게 해 준 리-아이언(Lithium-ion) 배터리를 개발한

존 구디너프, 스탠리 휘팅엄, 그리고 요시노 아키라 세 화튬학자들을 선정했다.

그들은 상금 900만 크로나(약 10억9000만원)을 나누어 받게 되었다.

 

미국 화학협회장인 보니 카펜티어씨는, "리티움-이온 배터리는 화학이

인간들의 삶을 지대하게 변화시킬 수 있다는 좋은 예가 되며,

우리의 삶의 패턴을 크게 바뀐 이 발명품이 노벨상 수여로 인정받게 되어서 매우 흡족하다."

라고 소감을 밝혔다.

 

세 과학자들은 1970년대와 80년대에 강력하고, 가볍고, 그리고 충전이 가능한

배터리를 발명해서, 수억의 스마트폰, 노트북, 랩탑 컴퓨터, 카메라등 

다양한 전자제품 사용이 가능하게 되었으며, 국제 우주역(International Space Station)에

머물면서 다양한 임무를 수행하는 우주인들 역시 이 배터리에 의존하며,

바람과 햇빛을 사용하는 재생가능한 전력분야에 종사는 엔지니어들도

리티움-이온 배터리에 에너지를 저장해서, 화석연료 의존도를 낮추어 주어서,

지구온난화를 방지하는데도 큰 기여를 하게 되었다.

 

 

 

 

 

 

빙햄턴 대학교와 뉴욕 주립대학교 화학교수로 재직중인

77세의 스탠리 휘팅엄 박사.

그는 "리튬-아이언 배터리 테크놀로지가 발달하기를 원했지만,

지금처럼 이 정도로 발전할지는 꿈에도 생각 못했다." 라고 밝혔다.

 

 

 

 

 

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 교수인 존 구디너프 박사는

올해 97세의 나이인데도 왕성한 연구활동을 하시는데,

노벨상 역사상 최고령 수상자이기도 하다. 

 

 

 

 

 

 

올해 71세의 요시노 아키라씨는 도쿄의 아사히 카세이 회사의 fellow 이며,

나고야 소재 메이조 대학교 교수는 

"걸맞는 리튬-이온 배터리가 화석연료 사용을 줄여서

지구 온난화를 완화해 주고, 자원이 고갈되지 않는 사회에 걸맞는

유용한 발명품이어서 아주 기쁘다." 라고 수상 소감을 밝혔다.

요시노 박사는 일본인으로 24번째 노벨상 수상자가 되었다.

 

 

 

 

1800년에 이탈리아 출신 과학자 알레싼드로 볼타(A. Volta)가 첫 배터리를 

발명한 후부터 과학자들은 전자가 음극(anode)에서 양극(cathode)으로

이동하는 다양한 방법을 지속적으로 찾아 왔다.

볼타는 동과 아연 소재 디스크 사이에 소금에 적신 천을 끼운 상태로 쌓아서

전자가 흐를 수 있게 해서 배터리를 만들어서 전선을 이 디스크에 연결하면

완전한 회로가 형성되면, 지속적인 전류가 흐르게 된다.

 

 

 

 

 

중국 광동지역의 동관의 공장에서 리튬-이온 배터리가 제작되고 있다.

CreditJoyce Zhou

 

 

첫 충전이 가능한 배터리가 1859년에 발명되었다.

이 배터리는 납-산(lead-acid)을 소재로 만들어졌으며, 

160년이 지난 지금도 가솔린이나 디젤 엔진이 달린 차에 사용되고 있다.

이 배터리는 무겁고 큰 점이 흠이다.

1899년에 발명된 니켈-카드미움(Nickel-cadmium) 소재 배터리는

효율성은 떨어지지만, 납-산 배터리보다 크기가 작은 것이 장점이다.

 

 

 

 

 

Lithium and Lithium Ion

(리튬 금속 구조와 리튬-아이온 구조)

 

 

그 후 수십년동안 배터리 테크놀로지에 큰 발전이 없다가,

1973년에 발생한 오일 사태가 터지자, 과학자들은 우리 사회가

화석연료에 너무 의존하고 있다는 것을 깨닫게 되었다.

그 당시 Exxon 석유회사에서 일을 하던 휘팅엄 박사는 이를 계기로

재생이 가능한 연료에서 얻은 에너지를 효율적으로 저장하는 방법과

전기차를 움직일 배터리에 대해서 연구를 하기 시작했다.

 

 

 

그는 전자를 쉽게 제공해 주는 리튬 금속이 음극으로 아주 좋은 소재라는 것을 

이미 예견했으며, 금속 중에 제일 가벼운 잇점도 있는 리튬을 음극으로,

그리고 리튬에서 흘러 나온 전자들을 받을 수 있는 양극 소재를 찾기 시작했다.

 

 

 

 

 

현대인들과 밀접한 다양한 전자제품 사용이 가능하게 한 리튬-이온 배터리 덕분에

인간의 삶의 패턴에 혁명을 가져다 주었고,

무선시대와 화석연료가 없는 사회의 토대를 마련해 주었다.

 

 

 

그는 그 당시 이전에 한번도 사용하지 않았던 타이태이늄 황산화물(titanium disulfide)소재를 

양극(cathode) 소재를 발견했다.  이 소재의 분자구조는 리튬-이온을 담을 수 있는

작은 포켓 모양으로 되어 있어서 전자들을 용이하게 저장할 수 있는 잇점 덕분에

처음으로 리튬 배터리 제작에 성공했다.

 

리튬-이온 배터리의 큰 장점은 납-산 배터리보다 10배, 니켈-카드미움 배터리보다 5배의

에너지를 저장할 수 있고, 아주 가볍고, 특별하게 관리도 필요하지 않은 점이어서

리튬-이온 배터리 개발에 큰 인센티브와 동기가 되었다.

 

 

 

 

 

1970년 초반에 스탠리 휘팅엄 박사가 

타이태이늄 황산화물(titanium disulfide)을 양극으로 사용해서

개발한 최초의 리튬-이온 배터리

 

 

불행하게도, 휘팅엄의 새로운 리튬-이온 배터리는 문제점이 있었다. 

배터리를 반복적으로 오래 사용하게 되면, 음극에서 가르다랗게 리튬 금속이 흘러나와서

양극까지 도달해서 회로의 단락을 초래하고, 폭발하는 사태도 발생한다는 단점이 발견되었다.

 

 

 

 

 

구디너프 박사(John Goodenough)가  코발트 산화물을 양극으로 사용해서 개발한

리튬-이온 배터리는 휘팅엄의 배터리보다 두배의 전압을 제공해 주고

 안전성과 내구성을 구비했다.

 

 

옥스포드 대학교에 재직중이었던 구디너프 박사는 배터리의 양극 소재를 사용한다면

효율성과 안전성이 향상된 리튬-이온 배터리를 만들 수 있을 것이라고 예견했다.

그는 코발트 산화물(Cobalt oxide)이 타이태이늄 황화물과 비슷한 분자 구조로 이루어진 것을

발견하고 양극을 이 소재로 대체해서 사용했더니, 리튬 금속이 새어 나오는 현상이 

일어나지 않았을 뿐 아니라, 휘팅엄의 배터리보다 두배인 4 volt의 전압을 제공해 준다.

 

 

 

 

 

 

요시노 박사는 배터리 음극으로 사용하던 100% 순도의 리튬 금속 대신에

탄소 소재의 전극을 사용해서 리튬-이온만을 사용하는 안전하고 효율적인 배터리를 개발했다.

 

 

요시노 박사는 구디너프 박사가 개발한 리튬-이온 배터리에 리튬-이온 음극을

탄소 소재의 전극으로 감싸주어서, 순 리튬 금속 소재를 배터리에서 제외시키고,

대신에 더 안전한 리튬 이온만을 사용하는 배터리를 제작하는데 성공했다.

 

 

 

 

 

 

이렇게 지속적인 연구와 개발 덕분에 배터리의 안전성, 신뢰성과 효율성이 높아지면서,

1991년에 일본의 소니 회사가 처음으로 리튬-이온 배터리 대량생산을 시작하게 되었다.

 

그리고 이 때까지 대부분의 전자제품을 작동하려면, 일회용 배터리를 사용했는데,

자주 꼭 필요할 때에 배터리가 다 소모되어서 낭패스러울 때도 많았고,

일회용이라서 한번 쓰고 버리다 보니, 환경오염에도 악영향을 끼쳤다.

하지만 안전해지고 아주 소형의 리튬-이온 배터리의 생산으로,

라디오, 컴퓨터 게임부터 시작해서, 노트북, 랩탑

그리고 스마트폰와 스마트워치를 널리 보급하는데 큰 기여를 했다.

 

 

 

 

 

독일 함부르크 항구에 리튬-이온 배터리가 제공하는 에너지로

커다란 콘테이너를 운반하고 있다.

 

 

이렇게 획기적인 발명품으로 각광을 받는 리튬-이온 배터리도 한계점을 안고 있다.

첫째, 이론적으로는 재충전이 무한정 가능하지만,

실제로는 조금씩 충전기능이 낮아지면서, 급기야 재충전 기능을 잃게 되고,

두번째는 잘 못 디자인되거나, 생산라인에서 하자가 있는 배터리는

폭발할 위험을 안고 있다는 점이다.

 

그래서 거대한 전자회사가 출시한 전자제품들에 배터리에 문제가 종종 일어난다.

한 예로 2006년에 델(Dell) 회사는 4백10만대의 랩탑에 들어가는 배터리가

발화될 수 있는 소지가 있어서 대규모의 리콜(recall)에 들어 갔다.

한국의 삼성전자도 주력상품이었던 갤럭시 노트7 스마트폰이

종종 폭발하는 사태가 벌어지자, 아예 생산을 중단했다.

 

컴퓨터 테크놀로지는 수년마다 새로운 칩스 개발로 속도가 두배로 빨라지고,

디스플레이 기능도 밝고 화소가 높아져서 이미지 질이 아주 좋아지는데에 반해서

배터리 엔지니어들은 단지 규모가 큰 배터리 사용과, 

하드웨어가 좀 더 효율적으로 작동할 수 있게 

소프트웨어 알고리듬을 시행하는 수동적인 방법을 사용해서,

그에 사용되는 배터리 테크놀로지는 칩스 개발 추세를 따라가지 못하는 것도 

문제로 제기되고 있다.

 

이런 리튬-이온 배터리의 본질적인 문제에도 불구하고, 

리튬-이온 배터리를 저렴하고 신뢰도가 높게 생산할 수 있는 잇점때문에

많은 전자회사들이 여전히 이 배터리를 사용하고 있다.

 

에너지 절약에 앞장 서고 있는 리튬-이온 배터리는 

그동안 화석연료 사용에 의존해서 악화되는  환경오염과 지구온난화를

해결할 수 있는 장점도 높이 사고 있다.

미국과 캐나다를 포함해서, 대부분의 국가들은 여전히 재생산이 불가능한 

천연가스와 석탄같은 화석연료로부터 에너지를 충당하고 있다. 

 

보다 나은 배터리 테크놀로지는 밤이나 바람이 불지 않은 날에 

에너지(전력) 회사들이 무상의 재생산성이 있는 태양과 풍력 에너지를 

배터리에 저장할 수 있게 해서 온실가스 배출량을 대량 줄일 수 있고, 

단점으로 대두되는 기상 상태 변화에도 의존하지 않고 

지속적으로 에너지를 공급할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

볼리비아 우유니 염전의 리튬 적출 콤플렉스에서

트럭이 소금물을 퍼 나르고 있다.

Credit: Pablo Cozzaglio

 

 

리튬-이온 배터리 사용으로 화석연료 사용을 줄일 수 있는 반면,

리튬을 생산하는 과정에서 또 다른 문제들이 제기되고 있다.

 

배터리에 꼭 필요한 리튬 금속 생산의 50%는, 특히 남미에서

소금물에 금속을 사용해서 녹인 후, 지하 깊은 곳에서 퍼 올려서 생산되고,

나머지 50%는 예전처럼 리튬이 풍부한 광석을 채광해서 생산된다.

두 방법 다 리튬 채광지와 그리고 제련되는 공장이나 염전 부근의 환경이

크게 오염되는 문제가 발생한다.

 

특히 리튬 수요가 급증하면서, 리튬 생산공장은 생산률을 높이기 위해서

리튬이 녹은 소금물이 빨리 증발하기 위해서 열을 가하는 방법을 사용하면서

화석연료의 사용도 따라서 증가하고, 

과다한 리튬 생산은 궁극적으로 리튬 공급에도 문제가 생길 수 있다.

 

리튬-이온 배터리가 소진한 다음에 대부분의 소비자들은 배터리를 잘못된 방법으로

버리고 있는 것도 문제로 떠 오르고 있다. 예를 들면, 미국에서 5%가 채 안되는

리튬-이온 배터리가 재활용되고 있다는 통계가 이를 입증한다.

 

 

 

 

2019년 노벨 화학상 수상자들이 오랜 실험 끝에

발명한 리튬-이온 배터리 덕분에

인간의 삶에 획기적인 발전을 가져다 주었고,

환경보존에도 기여하면서,

지구온난화를 더디게 해 주어서

우리의 삶의 질이 높아진 데에 대해서 

깊은 감사를 드리면서,

한편으로 리튬-이온 배터리의 재활용에 

우리 모두가 각별히 신경을 써야 할 것 같다.