2021년 가을, 글래스고에서 개최된 제26차 UN기후변화협약 당사국총회(COP 26)에서는 온실가스 배출을 억제하고 추가적인 기후변화를 방지하기 위한 협약이 체결됐습니다. COP 26은 순 이산화탄소(CO2) 배출 제로를 달성함으로써 지구온난화를 섭씨 2도 이하로 제한한다는 파리 협정에 기반을 두고 있습니다. 이 두 개의 협정은 향후 10년간 기후변화의 영향을 축소하기 위한 정부와 산업체의 협력 방식을 구성하게 됩니다.

글래스고 기후조약의 주요 협정 중 하나에 따르면 국가들은 “청정 발전 및 에너지 효율 조치를 신속하게 확장”함으로써 “저배출 에너지 시스템의 전환을 위한 기술의 개발, 배치 및 보급과 정책의 채택을 가속화”해야 합니다. 청정에너지의 우선화에 있어 균형을 맞추는 것은 “줄어들지 않은 석탄 발전의 단계적 축소와 비효율적인 화석연료 보조금의 단계적 폐지를 위한 노력”을 가속화하기 위한 요건입니다. UN 기후협약에서 석탄과 화석연료를 명시적으로 언급한 것은 이 조약이 최초입니다.

이산화탄소 배출 축소를 목적으로 하는 많은 보완 전략이 존재합니다. 기후 전문가들은 재생에너지의 채택과 운송의 에너지 효율성 향상에 집중하면 이러한 노력을 극대화할 수 있다고 조언합니다. UN의 경제 분석에 따르면 리튬 이온 배터리는 에너지 및 운송 부문의 강력한 완화 전략으로 자리매김하고 있습니다.

리튬 이온 배터리 자체는 에너지를 생산하지 않지만, 효율적인 저장 솔루션으로서 녹색 에너지 시스템을 강화합니다. 가변성은 재생 가능한 태양열 및 풍력 에너지의 주요한 결점으로 꼽힙니다. 리튬 이온 배터리는 이러한 에너지를 저장하고 에너지 분배의 격차를 좁혀 녹색 에너지의 신뢰성을 강화하고 궁극적인 발전 용량을 확대할 수 있습니다.

1991년 소니 사에서 소비자 가전용 리튬 이온 배터리를 최초로 도입했지만, 운송 분야에서 친환경 에너지로서 리튬 이온 배터리의 명성이 높아지고 있습니다. 휘발유 자동차와 비교할 때 리튬 이온 배터리로 구동되는 전기 승용차의 온실 가스 배출량은 약 2/3로 축소됩니다(유정에서 차량까지의 전기 발전이 재생가능 에너지원을 통해 이루어진 경우). 리튬 이온 배터리를 사용하는 것은 전기 자동차만이 아닙니다. UN에 따르면 “자전거, 스쿠터, 자동차, 버스, 트럭과 심지어 배까지도” 배터리로 구동되는 사례가 늘어나고 있으며, 항공 및 운송 부문도 발전을 보이고 있습니다. 도심의 전기 버스와 트럭이 보편화되고 있지만 장거리, 대형 전기 자동차는 아직 도입되지 못한 상태입니다. 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 장거리 화물용 트럭과 버스의 가스 비용 및 효율성과 경쟁하기에는 아직 부족합니다.

배터리 과학자들은 전기 자동차 및 녹색 에너지 저장에 사용될 리튬 이온 배터리의 수요 증가에 대비해야 합니다. 이러한 영역에는 리튬 이온 배터리의 고유한 기능이 요구되며, 개발자는 이를 반드시 고려해야 합니다.

전기 자동차(EVs) 및 운송을 위한 배터리 요구 사항

자동차 구매자가 가솔린 자동차에서 전기 자동차로 전환한다면 가장 가능성이 높은 이유는 무엇일까요? 차량 제조업체는 차량의 리튬 이온 배터리에서 가장 중요한 요소가 런타임이라는 점에 동의하고 있습니다. 전기차의 충전 횟수가 가솔린 자동차보다 작아진다면 시장을 석권할 수 있을 것입니다. 또한 수명이 긴 리튬 이온 배터리가 개발되면 전기 버스, 화물용 트럭, 비행기의 채택이 촉진될 것입니다.

특히 GM과 Tesla 배터리 화재에 대한 이야기가 유명해진 후 전기 자동차의 주요 관심사로 안전이 떠올랐습니다. GM은 수차례 화재가 발생한 Chevy Bolt 배터리를 리콜했지만, 문제는 품질 관리 이슈일 뿐 배터리 설계나 성능 자체의 결함이 아닙니다. Tesla는 배터리의 안전을 완전히 확언했으며, 미국 고속도로 안전관리국은 우려할 이유가 없다는 점에 동의했습니다. 소비자들은 휘발유 자동차와 마찬가지로 전기 자동차를 몇 년에서 수십 년간 사용할 수 있기를 원하므로 배터리의 사이클 수명도 가장 중요한 문제입니다. 따라서 전기차 배터리는 사이클 수명이 길거나, 성능이 저하되기 전에 수차례 방전 및 충전할 수 있어야 합니다.

전력 또는 에너지의 신속한 소비가 가능한지 여부는 일반 소비자용 전기차의 부차적인 관심사입니다. 운전자에게는 신속한 가속과 사고 회피를 위한 구동력이 필요하지만, 이러한 가속에 엄청난 수준의 리튬 이온 배터리 용량이 필요한 것은 아닙니다. 그러나 전기차의 최대 가속을 위해 더 높은 구동력이 필요한 경우도 있으며, 경주용 자동차를 그 구체적인 예로 들 수 있습니다. 현재의 리튬 이온 배터리는 이미 일반 자동차와 비교하여 충분히 가볍습니다. 따라서 에너지 밀도는 소비자용 전기차의 최우선 과제가 아닙니다. 에너지 밀도는 전기 항공기의 발전에 더욱 중요합니다. 마찬가지로, 현재 혁신에서 가장 중요한 영역은 비용이 아닙니다. 전기 자동차용 리튬 이온 배터리는 이미 소비자 친화적인 비용 달성 측면에서 큰 진전을 이뤘습니다. 비용이 저렴해지면 전기차를 이용할 구매자가 늘어나겠지만, 전기차 제조업체는 가격이 조금 더 높아지더라도 배터리 품질과 안전에 더 많은 관심을 가지고 있습니다.

그리드 에너지 스토리지를 위한 배터리 요구 사항

리튬 이온 배터리와 관련하여 가장 많은 관심을 받고 있는 것은 전기차입니다. 하지만 앞서 설명한 격차를 해소하기 위해 재생 에너지에 필요한 것은 그리드 스토리지입니다. 현재 다양한 배터리 기술이 고려되고 있지만, 가장 경쟁력이 높은 것은 리튬 이온 배터리 기술입니다. 이유를 한 가지 꼽자면, 일반적으로 친환경 에너지 스토리지는 배터리를 매일 충전 및 방전해야 하므로 그 적용에 있어 가장 중요한 요소가 사이클 수명이기 때문입니다. 사이클 수명이 길지 않다면 그리드 배터리 교체를 위한 인력이나 비용이 수시로 발생해 경제성이 없을 것입니다. 다음으로, 리튬 이온 배터리는 안전해야 합니다. 새로운 에너지 솔루션이 정부와 소비자를 만족시키려면 기존 솔루션보다 더 안전해야 합니다. 안전 다음으로 가장 중요한 것은 비용입니다. 재차 언급하지만 에너지 업체들은 더 나은 솔루션을 찾고 있으며, 이들이 기존의 화석연료 시스템보다 훨씬 더 많은 비용이 드는 장비에 투자할 가능성은 낮습니다.

친환경 에너지 스토리지에 있어 전력과 런타임, 에너지 밀도의 중요성은 그 다음입니다. 이러한 배터리는 에너지의 빠른 방출을 위한 고전력이 필요하지 않습니다. 일정한 흐름이 발생한다면 가정용 전력을 공급하기에는 충분합니다. 또한 배터리는 일반적으로 태양열 또는 풍력 에너지로 전력이 재공급될 때까지 길어야 며칠간 작동하므로 런타임이 매우 길 필요는 없습니다. 마지막으로, 배터리는 소비자의 가정이나 휴대용 장치가 아닌 에너지 플랜트에서 사용되므로 특별히 크기가 작거나 에너지 밀도가 높을 필요가 없습니다. 에너지 생산업체는 배터리를 여러 개 결합하여 에너지 저장량을 확대할 수 있기 때문에 단일의 초고밀도 배터리가 필요하지 않습니다.

배터리 개발자가 특정 응용 분야(예: 소비자 전자제품, 전기차, 그리드 스토리지)를 대상으로 설계를 최적화하려면 최상의 런타임, 사이클 수명, 전력 및 에너지 밀도를 가진 배터리 소재를 선택할 수 있어야 하며, 또한 다양한 조건에서 안전성을 검증할 수 있어야 합니다. 소재 개발 및 선택의 다변수적 측면은 화학 및 소재 R&D가 배터리 개발에 미치는 영향이 크다는 것을 의미합니다. 실제로 MIT(매사추세츠 공과대학교)의 최근 연구에 따르면 기술의 도입 이후 리튬 이온 배터리 비용 감소분 97% 중 50% 이상이 화학 및 소재 과학 R&D에 의한 것임이 밝혀졌습니다. 즉, 소재 R&D는 리튬 이온 배터리의 성공에 매우 중요한 역할을 하며, 주요 배터리 부품을 구성하는 소재의 열, 유변학, 분자 특성에 대한 분석적 특성화는 배터리의 성능 및 안전성 향상으로 이어질 수 있습니다.

예를 들어, 노트북을 사용하거나 충전 후 휴대전화를 손에 쥘 때 손쉽게 알아챌 수 있는 소재의 중요한 특성 중 하나는 리튬 이온 배터리가 뜨거워지는 경향이 있다는 점입니다. 작동 중인 배터리의 발열과 냉각 현상은 전체 배터리가 안전하게 작동하기 위해서는 소재의 융점, 분해 온도와 같은 매개변수에 대한 열분석을 통해 배터리 소재를 특성화할 필요가 있음을 의미합니다. 또한 배터리 제조 과정에는 저장, 혼합, 코팅 및 건조 중에 다양한 변형을 겪는 고체 입자와 고착제, 용매의 혼합물이 사용됩니다. 재료의 흐름과 변형에 대한 연구인 유변학를 통해 연구자는 제조 공정의 각 단계에서 발생하는 배터리 슬러리의 형성, 저장 및 입자의 침강을 이해할 수 있습니다.

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