1.4. 2019년 노벨 화학상
‘리튬이온 배터리 개발 역사’ 존 구디너프, 스탠리 휘팅엄, 요시노 아키라
2019년 노벨 화학상 수상 제목이 "for the development of lithium-ion batteries” 로 리튬이온 배터리 개발 업적으로 받게 되었다. 지금 시점에서 리튬이온 배터리 개발 업적이 아주 중요하다는 의미로 볼 수 있다. 수상자들은 존 구디너프(미국) 와 스탠리 휘팅엄(영국), 요시노 아키라(일본) 3명이 공동 수상 했다. 왕립과학원은 리튬이온 배터리가 "1991년 출시된 이래 우리의 일상을 혁신했다" 라고 평가했다. 3인의 역할을 보면 휘팅엄은 이황화티타늄(TiS2)을 이용해 에너지를 고도로 담을 수 있는 소재를 개발한 후 개발한 소재를 양극재로 금속 리튬을 음극으로 결합하여 2V 정도의 전지를 만들 수 있었다. 평균 전압은 배터리 파워를 대변하는 중요한 수치이다. 이황화티타늄은 1.9V 평균 전압을 가지고 있고 LCO는 3.8V, 최근에 각광받는 NCM은 3.7V 이다.
[표] 표준환원전위 (출처 : wikipedia[우1] )
리튬 Li 이 3.04V 로 가장 높은 이원화 전위차를 가지고 있고 이런 이유로 리튬이 배터리 소재로 채택이 된 것이다. 배터리 평균 전압은 양극의 전위차와 음극의 전위차를 합해서 충방전 곡선의 평균으로 정한다.
[그림] 양극재 평균 전압[우1]
구디너프는 산화 코발트를 양극재로 이용해 2배나 높은 전압을 발생시키는 데 성공을 하였다. 이 부분은 앞부분에서 LCO 3.8V로 설명한 내용과 같다. 하지만 음극재로 사용된 금속 리튬은 강력한 반응성으로 폭발 위험이 커서 상용화가 쉽지 않았다. Half Cell 측정 전압은 음극으로 리튬 메탈을 이용하여 측정을 하는 것이다. 그래서 요시노는 반응성이 강한 금속 리튬 대신 석유 코크스(흑연)를 사용해 가볍고 여러 번 충전을 할 수 있는 배터리를 완성했다. 코그스(Cokes)는 역청탄(석탄의 종류)에 천도 이상 열을 가해 철강용 연료로 만든 것이다. 이 코크스에 3천도 이상 열을 가하면 배터리 음극재로 사용 가능한 인조흑연을 만들 수 있다. 현재 사용되는 흑연 음극재는 천연흑연과 인조흑연 두가지가 있다.
요시노는 일본에서 27번째 노벨상 수상자로 ‘아사히카세이’ 에서 근무한 샐러리맨 출신이다. 노벨 왕립 과학원은 리튬 이온 배터리가 1991년에 처음 나왔다고 한다. 소니가 리튬 이온 배터리를 1991년에 처음 출시했을 때 아사히카세이의 특허를 이용해서 배터리를 만든 것은 많이 알려진 사실이다. 그 때 근무하던 요시노가 리튬이온 배터리를 개발했다. 실제 리튬이온 배터리를 개발한 회사인 아사히카세이는 지금은 리튬이온 배터리를 만들지는 않고 핵심 부품 중 하나인 분리막 생산 세계 1위 기업으로 배터리 벨류체인에서 핵심 역할을 담당하고 있다. 한국에서는 분리막 제조를 SK이노베이션에서 하고 최근 전기차용 배터리도 직접 생산하고 있다. 배터리 개발 역사를 돌아보면 배터리 산업은 자기 테이프 산업과 연관이 높다. 워크맨을 개발한 소니는 오디오 카세트 테이프도 많이 만들었고 그 당시 가격도 상당히 비쌌다. 배터리 공정으로 보면 극판을 만드는 방법이 카세트 테이프를 만드는 공정과 유사하다. 아사히카세이가 배터리 개발을 했지만 소니가 배터리를 생산을 하게 된 것은 이런 제조 공정 유사성도 있다고 본다. 국내는 SKC 카세트 테이프를 기억하는 사람도 있을 것이다. 한국 배터리 산업 초기부터 SK는 배터리 개발을 했었다. 하지만 점점 삼성과 LG에 밀려서 본격적인 배터리 제조를 하지 못했고 아사히 카세이와 같이 분리막 산업을 하고 있다. 하지만 최근 전기차 배터리라는 거대한 시장이 개화되면서 배터리 제조 사업을 본격적으로 확장하게 된 것이다. 그리고 음악 카세트 테이프 시장 다음으로 나온 것이 비디오 테이프이다. 1997년에 새한미디어는 매출 6300억원으로 세계 비디오테이프 업계 1위 자리를 유지하고 있었고 재계 27위의 대기업이 되었다. 삼성의 친척 회사였던 새한미디어는 배터리 사업을 추진하려고 했으나 삼성그룹의 조율로 결국 삼성전관, 지금의 삼성SDI가 만들게 되었다는 추정도 있다. 이후 2000년 워크아웃을 신청한 뒤 새한그룹은 해체가 되었고 남아있던 새한미디어는 현재 양극재 제조 기업인 코스모신소재로 이어지고 있다. 그러면 왜 이 시점에서 리튬 이온 배터리 개발자들이 노벨상을 받게 된 것인가? 왕립과학원은 "수상자들은 무선 기술과 화석연료 없는 세상의 기초를 놓고 인류에 크나큰 혜택을 안겼다" 고 의미 부여를 했다. 향후 에너지 저장 및 무선 전송 기술이 유망하다는 의미로 받아들일 수 있다.
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