[지디넷코리아]
과거 발명왕 토머스 에디슨이 꿈꿨던 전기차 배터리에서 영감을 받은 차세대 배터리 기술이 개발돼 주목받고 있다.
기즈모도 등 외신은 최근 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)가 주도한 국제 공동 연구진이 에디슨의 초기 배터리 설계에서 착안한 니켈·철 기반 배터리를 개발했다고 보도했다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 게재됐다.
■ 에디슨 초기 설계에서 영감
에디슨이 구상했던 초기 전기차 배터리는 양극과 음극에 각각 철과 니켈 스크린을 사용하고, 이를 수산화칼륨 전해액에 담그는 구조였다. 그러나 충전 과정에서 수소를 방출하는 특성이 있어 잠재적 위험성이 있었고, 무게 역시 상당히 무거워 상용화에 한계가 있었다.
이번에 UCLA 연구진이 선보인 배터리 시제품은 소고기 생산 과정에서 발생하는 분자 부산물을 활용해 니켈과 철로 이뤄진 나노 클러스터를 집적한 것이 특징이다. 과거의 아이디어를 현대 나노 기술로 재해석한 셈이다.
■ 뼈와 조개껍데기 형성 원리에서 착안
연구진은 동물의 뼈 형성 과정과 조개 껍데기가 만들어지는 자연 현상에서 설계 아이디어를 얻었다. 일반적으로 뼈는 단백질이 칼슘 기반 화합물의 위치를 조율하면서 형성되는데, 이 과정에서 구조적 강도와 유연성이 동시에 확보된다.
논문 공동 저자이자 UCLA 생화학자인 릭 카너는 “미네랄을 적절히 배치하면 뼈는 단단하면서도 쉽게 부러지지 않을 만큼 유연해진다”며 “재료 자체만큼이나 배열 방식이 중요하며, 단백질이 미네랄의 위치를 결정한다”고 설명했다.
■ 주름진 나노 구조로 표면적 극대화
이 배터리 기술은 5나노미터(nm) 이하 크기의 니켈·철 클러스터를 사용한다. 이는 사람 머리카락 굵기 안에 약 1만~2만 개의 클러스터가 들어갈 수 있는 수준이다. 연구진은 이를 통해 전극 표면적을 극대화해 거의 모든 원자가 화학 반응에 참여하도록 설계했다.
그 결과, 기존에 완전 충전까지 약 7시간이 걸리던 배터리와 달리, 이번 시제품은 단 몇 초 만에 충전이 가능했다.
배터리 구조는 ‘주름진 나노 배터리’에 비유된다. 단백질 분자는 접힌 구조 속에 다수의 미세한 틈을 갖고 있는데, 연구진은 이 접힌 부분에 각각 양극과 음극에 해당하는 니켈과 철 클러스터를 배치했다. 이후 이를 탄소와 산소 원자로 이뤄진 초박막과 결합시킨 뒤 초고온으로 가열해 산소를 제거했다. 그 결과 미세 단백질에 고정된 금속 클러스터가 재료 내부에 내장되며 에어로젤과 유사한 다공성 구조가 형성됐다. 이 같은 배열을 통해 배터리의 표면적을 극대화할 수 있었다는 것이 연구진의 설명이다.
공동 저자인 UCLA 생화학자 마허 엘-카디는 “현대 나노기술은 복잡하고 첨단 장비가 필요하다고 생각하기 쉽지만, 우리의 접근 방식은 놀라울 만큼 단순하고 직관적”이라며 “쉽게 구할 수 있는 재료를 혼합하고, 비교적 완만한 가열 과정을 거치는 방식”이라고 밝혔다.
■ 수초 내 충전·1만2000회 이상 충전 가능
초기 테스트 결과, 이 배터리 시제품은 수 초 안에 충전이 가능했으며 1만2000회 이상의 충전 사이클을 견뎌냈다. 매일 한 차례 충전한다고 가정할 경우 30년 이상 사용할 수 있는 수준이다.
다만 에너지 밀도 측면에서는 현재 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리에는 미치지 못한다. 연구진은 대신 태양광 발전소의 잉여 전력 저장 장치나 데이터센터의 백업 전원 등 고속 충전과 긴 수명이 요구되는 분야에서 활용 가능성이 높다고 밝혔다.