배터리의 미래

‘자원의 한계’를 넘어 지속가능한 소재를 찾아서

M. 스탠리 위팅엄 , 거브랜드 시더 , 강기석 , 최장욱

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Publication Date	2021/12/31
Pages/Weight/Size	13521020mm
ISBN	9791190944571
Categories	경제 경영 > 마케팅/세일즈

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Description

전자시계 돌리던 배터리,
비행기를 날리고 원전급 발전소를 대체하다

전기차 ‘테슬라’가 시대의 키워드가 된 지금, 지난해 유난히 뜨거웠던 주식열풍 속에서 ‘배터리’에 대한 일반 투자자들의 기대와 이해 수준은 대단히 높아졌다. 누구나 손에 쥔 스마트폰, 이젠 꽤 흔하게 몰고 다니는 전기차 속 배터리에 대한 열광적 관심은 주식시장을 넘어 더 폭발적으로 확장되는 편이 좋다. 배터리는 자원의 문제, 환경의 문제, 미래 문명의 문제를 집약적으로 담고 있기 때문이다.

1970년대 전자시계용 소형 배터리에서 시작된 리튬이온배터리는 이제 온 세상을 지배하는 기술이 됐다. 전자시계나 장난감을 돌리던 배터리가 50년 만에 온 세상을 움직이는 동력원이 된 것이다. 전기차를 넘어 단거리 여객기도 날릴 수 있게 됐으며, 원자력 발전소 하나를 대체할 만한 대규모 에너지 저장장치(ESS)까지 현실이 됐다.

2018년 고(故) 최종현 SK 선대 회장의 20주기를 맞아 출범한 최종현학술원의 과학혁신 국제 심포지엄은, 핵심 테크놀로지 분야의 세계적 석학들이 최신 연구 동향을 소개하고 미래 전망을 토론하는 자리다. 특히 이번엔 리튬이온배터리 연구로 2019년 노벨화학상을 수상한 M. 스탠리 위팅엄 교수가 강연과 토론에 참가해 자리를 빛냈다. 코로나 시국 중에도 지난 2년에 걸쳐 배터리의 미래를 논한 강연과 토론이 한 권의 책으로 묶여 나왔다.

Contents

축사 (최종현학술원 이사장?SK회장 최태원)
발간사 (최종현학술원장 박인국)

1. 리튬이온배터리 기술과 지구의 미래 (M. 스탠리 위팅엄)
1972년 이후, 세상을 바꾼 연구
장난감에서 우주정거장까지, 배터리 기술의 진화
재생에너지에 꼭 필요한 리튬이온배터리
배터리의 원리와 변천사
아직은 ‘30점짜리’ 배터리 에너지 밀도
에너지 밀도 개선을 위한 도전 과제
‘배터리 500’ 프로젝트의 최근 성과들
배터리 양극재의 역사: 타이타늄에서 바나듐까지
배터리 업계가 당면한 문제들, 어떻게 변화될 것인가?
노벨상의 교훈: 젊은 과학도들에게

2. 리튬이온배터리의 발전과 대체 기술 (거브랜드 시더)
휴대전화 켜던 배터리, 이젠 비행기도 날리다
‘원전급’ 태양광 발전소를 짓는 세상이 오다
1년이면 짓고 가동하는 ‘발전소’
리튬이온배터리, 자원과 효율의 ‘한계’
‘코발트·니켈 중독’에 빠진 배터리, 해법은?
재료의 ‘저주’ 풀기, 현대의 연금술사 ‘AI 실험실’
배터리의 새 지평: 새로운 ‘불규칙 양극재’가 쏟아지다
‘더 다양한 배터리’ 자원의 한계를 넘어서
신소재 개발을 위한 ‘패스트 트랙’
신소재 개발을 앞당길 ‘타임머신’: 미래의 AI 실험실
400만 개 논문을 읽어주는 AI…신소재를 만들어 주는 로봇
미래를 보고 혁신하는 자가 승리하리라

3. 비정질 암염(DRX): 지속가능한 자원을 이용한 양극재 개발 (거브랜드 시더)
배터리의 ‘한계’
1) 공학이 아닌 물리화학적 제약
2) 기술이 아닌 자원의 ‘한계’
가상 실험실로 배터리 소재의 한계 넘기
배터리의 새로운 가능성, DRX의 발견
비정질 암염의 가능성을 드러내는 불소(F) 치환
‘안전한’ 배터리 신소재, 불화의 비밀
‘단범위 규칙’이라는 발목
고엔트로피를 이용한 속도 개선
부분 비정질 스피넬(spinel) 양극재
배터리의 ‘가격 혁명’과 지속 가능성
어떤 금속이든 배터리로 통하게 하라

4. 층상 양극재 기반의 첨단 리튬이온배터리 기술 (강기석)
최근의 흥미로운 발견: 누적 산화환원 반응
리튬 과잉 층상 소재의 고질적 문제: 전압 감소
전압 감소 문제의 ‘해결사’: 산화환원 버퍼
두 번째 관문: 율속 특성
‘비대칭’ 리튬 확산: 새로운 인터칼레이션 메커니즘의 필요성
전이금속이 ‘샛길’로 새는 것 막기
O2 유형 리튬 과잉 층상 구조 합성
층상 구조의 새로운 화학: 인터칼레이션 모델의 재검토

5. 엔트로피를 이용한 실시간 배터리 모니터링 (최장욱)
전기차 운전자의 의문
배터리 관리 시스템(BMS)의 기본 기능
더 스마트한 BMS, 밖에서 안으로
열역학 정보를 활용한 소재 모니터링
엔트로피와 층상 구조 원자 배열의 상관 관계
열역학 측정을 통한 비파괴적 소재 상태 모니터링
엔트로피 측정의 방법론
스마트한 BMS 구현을 위한 데이터 축적

6. 차세대 배터리를 위한 첨단 바인더 설계 (최장욱)
배터리 기술 혁신: 소재뿐 아니라 ‘전극’도 중요하다
바인더, 실리콘 음극의 팽창을 막아라
고탄성 고분자: 하이드로젤의 흥미로운 세계
폴리로택세인 기반 바인더의 효율
전고체 배터리에서 바인더의 역할
‘탈보호 화학’으로 새로운 바인더 설계
전고체 배터리의 미래를 꽉 쥐고 있는 새로운 바인더

7. 생물학적 에너지 변환에 기반한 차세대 배터리 기술 (강기석)
새로운 배터리, 우리 몸을 들여다보다
생물학적 시스템으로 만든 첫 배터리, 그러나…
우리 몸, 액체 상태의 전기화학 반응
충·방전 때 색이 바뀌는 배터리: BMS의 새로운 가능성
배터리, 한계를 넘는 ‘학제간 접근’을 위하여

8. 종합토론: 지속가능한 미래를 충전하는 배터리

용어해설집
참고문헌

Author

M. 스탠리 위팅엄,거브랜드 시더,강기석,최장욱

리튬이온배터리 연구의 선구자로 2019년 노벨 화학상을 공동 수상했다. 영국 옥스퍼드대에서 박사 학위를 받은 뒤 미국 석유기업 엑손에서 배터리를 연구했으며 엔지니어링 부문 총괄을 역임했다. 이후 학계로 옮겨 지금은 뉴욕 주립대(빙엄턴) 화학과 석좌교수를 맡고 있다.