알루미늄-이온 배터리, 초고속 재충전되며 안전한 플렉시블 이차전지

벌써 한 달전에 기사로 나왔던 소식을 이제야 전합니다. 그리 중요해 보이지 않아 넘겼는데, 구독하는 블로그 두 곳에서 중요하게 다루셨더군요. 그리고 네이쳐에 논문도 게재된 연구입니다. 중요한 요점은 위 제목에 나와 있습니다. 먼저 (1) 초고속으로 재충전이 되는 이차전지이며, (2) 플렉시블로 구부리며 사용할 수 있는데 안전하다는 것입니다.

우리가 하루 종일 가지고 다니는 여러 전자 디바이스의 대부분은 리튬이온 이차전지를 사용하고 있습니다. 지난 20~30년 동안 산업계와 실생활에서 중요한 역할을 해왔습니다. 그럼에도 불구하고 관련 기술의 혁신적 개선은 별로 없어 보입니다. 이번에 스탠포드 대학교의 연구는 비슷하지만 전혀 다른 개념을 선보였습니다. 알루미늄 기반의 배터리를 개발 중이며 충전도 빠르고 안전합니다.

사실 알루미늄을 사용하는 전지는 새삼스러운 일이 아닙니다. Al은 리튬 보다도 많은 잇점이 있기에 관심의 대상이었습니다. 전력 손상 없이 유연하게 변형도 가능합니다. 오랜 시간 걸리는 충전도 순식간에 끝낼 수 있습니다. 사용 수명도 매우 깁니다. 리튬이온 배터리는 훼손하면 발화의 위험성이 있지만, 알루미늄 소재는 그렇지 않고 안전합니다. 비용도 오히려 저렴하고요.

이런 장점에도 불구하고 왜 실용화되지 못하고 있을까요? 중요한 전극재료로서 알루미늄의 반대편 전극에 사용할 소재가 문제입니다. 이번 연구에서는 Al을 양극(anode)으로 사용하고, 그래핀(graphene)을 음극(cathode)로 사용하였습니다. 보통 전지는 양극활물질 기준으로 표현하게 됩니다. 가장 중요한 물질이기 때문입니다. 그리고 음극으로 탄소 등을 많이 쓰는데 요새는 그래핀이 많은 연구에서 도입되고 있습니다.
(보통의 전기화학의 분류와 달리, 충전을 기준으로 산화전극 anode를 양극이라 하고, 환원전극 cathode를 음극이라 표현합니다.)

이번 연구를 예전에 다루지 않았던 이유는 왠지 현실성이 부족해 보였기 때문입니다. 다만 제품으로 판단하기에는 아직 이른 듯 싶습니다. 여러 연구자들에 의해 추가적인 발전이 필요합니다. 그렇기에 오히려 더욱 의미가 있는 결과입니다. 새로운 연구주제를 던졌다고 보입니다.

충전 횟수는 7500이라는 놀라운 수치를 보여주었지만 여러가지 단점이 남아 있습니다. 출력전압이 일반 제품의 절반에 불과합니다. 하지만 에너지 밀도 측면에서 충분히 가능성이 있어 보입니다.  초고속 충전, 안전성, 낮은 비용의 장점이 있기에, 향후 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다면 전기자동차용으로 중요하리라 예상됩니다.