한번 충전으로 800km 가는 자동차

한번 충전으로 800km 가는 자동차

중요한 연구 과제들은 가끔은 놀랄만한 폭로로 인해 시작되기도 합니다. IBM의 배터리 500프로젝트도 그랬습니다.

 

프로그램 리더인 Winfried Wilcke는 2008년 8월 스탠포드 대학에서 개최되었던 한 에너지 워크샵에 참석했습니다. 쉬는 시간중에 노벨상 수상자인 Burton Richter가 그에게 와서는 미국 내의 모든 차가 전기자동차일 경우에도, 미국의 전력 그리드는 그 모든 차들을 하룻밤 사이에 모두 충전시킬 수 있는 용량을 가지고 있다고 말했습니다. Wilcke는 농담으로 치부했지만 계산을 해보니 그 말이 원칙적으로 가능한 것이었다는 것을 알게 되었습니다. 이로 인하여 Wilcke는 하룻밤 충전해서 500마일(약 800km)을 주행할 수 있는 실용적인 가정용 차량을 개발하고자 하는 퀘스트를 시작하게 되었습니다.

똑똑한 세상, 세상은 기능화되어 서로 연결되며 지능화되고 있습니다. 똑똑한 지구를 모두가 원하며, 이루어낼 수 있습니다. IBM이 여러분과 함께 Smarter planet을 만들고자 합니다.

Wickle의 퀘스트는 관련업계의 두 리더인 아세히카세이 사와 Central Glass 사가 IBM과 파트너쉽을 체결하여 새로운 리튬-에어 배터리 기술을 통해 500마일의 꿈을 이루어 내려는 연구 협력을 하겠다는 발표로 인하여 새로운 국면을 맞이하게 되었습니다. 아세히카세이(旭化成) 주식회사는 일본 업계를 선도하는 화학 회사이며 Central Glass 는 리튬 이온 전지를 위한 최고의 전해액 제조업체입니다. 이 회사들은 캘리포니아 산호세와 스위스 취리히에 있는 IBM 연구원들 및 아르곤과 스탠포드 SLAC를 포함한 미국 내 여러 국가 연구기관들로 구성된 배터리 500 연구팀과 협력할 것입니다.

배터리 500의 과학자들은 이미 몇 가지 성과를 거두었습니다. 하지만 그들의 기술들이 성공적으로 구현되기 위해서는 글로벌의 여러 자동차 회사들의 지원 및 협조가 필요합니다. Wilcke는 “이건 에베레스트 산을 올라가는 것과 비슷합니다. 우리는 베이스캠프를 떠나왔습니다. 아주 위험할 뿐더러 정상에 다다를 것이라는 보장도 없습니다. 하지만 배짱이 없다면 영광도 없습니다”라고 논평했습니다.

 

프로젝트는 2년 전에 시작되었으며 새로운 배터리 기술이 출시되려면 10년 이상 더 걸릴 것이라고 Wilcke는 예상합니다. 그리고 향후 2년 이내에 쓸만한 초기 시제품을 만들어내는 것이 목표라고 합니다.

 

리튬-에어 배터리는 현재 테슬라 자동차의 전기자동차에서 사용되고 있는 리튬이온 배터리같은 것들과 차별화되는 신기술입니다. 리튬이온 배터리는 무거운 금속산화물 층재 음극을 사용하고 있는것에 반해 리튬-에어 배터리는 경량화된 나노구조 탄소를 음극으로 사용합니다. 공기중의 산소가 탄소 음극 안에 있는 리튬과 반응하는 원리로 인해, 한번 충전으로 더 멀리 갈 수 있고 크기도 더 작고 가벼운 배터리가 됩니다. 충전중에는 주행할때 빨아들였던 산소들을 대기로 다시 방출합니다.

 

이 연구는 재미있는 국면에 접어들었습니다. IBM 팀은 재충전 가능한 리튬 에어 배터리 개발에 필요할 것이라고 생각했었던 일반적인 생각들의 많은 부분들이 틀렸다는 것을 깨달았습니다. 어느 과학자들은 탄소와 산소로 이루어진 유기 용액을 배터리의 전해액으로 이용하는 실험을 해오고 있었습니다. (전해액은 전기를 유동이온의 형태로 전도하며 이것이 모든 종류의 배터리의 중요한 요소입니다) 하지만 IBM 팀은 자체 발명한 차동 전기화학 질량분광분석기를 이용하여 이러한 전해액을 사용한 배터리 실험은 전혀 충전이 되지 않고 그냥 망가져 버린다는 것을 발견했습니다. 하지만 리튬-에어 배터리 내 전해액 분자의 시뮬레이션을 슈퍼컴퓨터를 통해 엄청나게 돌린 결과 나온 다른 전해액을 사용하자 상황이 급반전되어 리튬-에어 배터리를 재충전 가능하다는 것을 보여주었습니다.

 

이제 팀은 화합물의 화학적 안정성을 높이는 것과 배터리의 출력 밀도(=무게 당 출력)를 높이기 위한 새로운 음극 나노구조를 개발하는 작업을 진행하고 있습니다. 그들은 연구실에서의 실험과 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 구조의 시뮬레이션을 병행하여 리튬-에어 배터리의 몇 가지 중요한 효과들의 원인을 밝혀냈습니다.

 

배터리500 프로젝트는 리튬-에어 배터리 기술을 개발하려는 전 세계의 50여개 유사한 노력들 중 하나입니다. Wilcke는 다른 프로젝트들을 경쟁자이기도 하지만 전우라고 생각합니다. “우리는 전 세계에 걸쳐 이 프로젝트에 집중할 충분한 동력을 확보하고 있다고 생각합니다. 이것은 2년 전에 비하면 엄청난 변화입니다”

 

리튬-에어 과제 연구에 매진하는 과학자를 많이 마련하는 것이 중요합니다. 이 기술을 이용한 배터리가 상용화될 수 있다면, 전력 그리드는 지구상의 복잡한 삶의 전반에 걸쳐 훨씬 더 필수적인 요소이자, 똑똑한 세상을 만드는 데에 결정적인 조건이 될 것입니다.

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