전기자동차의 핵심 기술은 배터리다. 한 번 충전으로 얼마나 달릴 수 있는지가 전기자동차 성능의 척도이기 때문이다. 그런데 최근에 휴대전화 배터리 폭발 사건으로 배터리의 안전성에 대한 관심도 크게 높아졌다. 전기자동차의 경우 휴대전화 배터리보다 1000배 이상 용량이 큰 배터리를 사용하기 때문에 배터리가 폭발할 경우 피해는 어마어마하게 늘어날 수 있다. 오래 가면서도 안전한 배터리는 없을까. 그 답을 전고체 배터리에서 찾을 수 있다.
정윤석 교수팀이 개발한 전고체 리튬 배터리의 모습. 전극과 전해질이 모두 고체인 전지로 전구에 불을 켜는 모습이다. | 사진: 아자스튜디오 이서연
대부분의 전자기기에서 사용하는 리튬이온 배터리는 다른 배터리에 비해 같은 부피 또는 무게에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 리튬이온 배터리에 사용하는 유기계 액체전해질은 휘발성이 높고, 불에 잘 타서 폭발할 수 있다는 치명적인 단점이 있다.
안전한 전고체 배터리, 성능은 높여야
전고체 배터리는 불에 타지 않는 무기계 고체전해질을 사용하기 때문에 안전성 문제를 획기적으로 해결할 수 있다. 100℃ 이상의 고온에서도 안전한 것은 물론, 오히려 고온에서 빠른 충전이 가능하다. 전고체 배터리는 극저온에서도 작동이 가능해, 저온에서 액체전해질이 얼어서 성능이 떨어지거나 사용할 수 없게 되는 리튬이온 배터리의 단점도 극복할 수 있다.
장점이 많은 전고체 배터리지만 상용화되지 못하고 있는 큰 이유 중 하나는 바로 성능이다. 분말 형태의 고체전해질은 액체전해질처럼 전극으로 고루 스며들지 않는다. 전해질과 전극의 접촉이 원활하지 않으면 리튬이온의 이동이 어려워서 성능이 떨어진다.
정윤석 교수는 배터리 연구자에게 가장 중요한 능력은 바로 ‘꼼꼼함’이라고 말했다. 여기에 호기심과 적극성이 있으면 금상첨화다. | 사진: 아자스튜디오 이서연
정윤석 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 이런 문제를 해결할 방법을 화학공학에서 찾았다. 용액에 잘 녹는 새로운 고체전해질을 개발해 전극의 활물질(에너지를 저장하는 물질)에 코팅했다. 고체전해질을 녹인 용액에 분말 형태의 활물질을 넣은 뒤 용매를 증발시키면, 활물질에 고체전해질 층이 균일하게 코팅되면서 접촉 면적이 늘어나 이온이 잘 이동하게 된다.
정 교수는 “공기 중에서 안정하고 가격이 싸며 독성 문제도 적어, 전고체 리튬 배터리의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것”이라고 전망했다.
새로운 기술을 개발하는 유망한 교수라면 처음부터 관련 분야에 관심이 많았을까. 정 교수의 대답은 의외였다. 전공을 선택할 때 10년 뒤에 무엇을 어떻게 해야겠다는 생각은 전혀 없었다는 것. 처음에 화학공학과에 진학한 것도 아는 사람이 진로가 다양하다고 추천해서였고, 전기화학 분야를 전공하게 된 것도 새롭고 재미있을 것 같아서였다고 한다.
정 교수는 “그런데 전기화학 분야가 처음 생각했던 것과는 많이 달랐다”며 “하지만 어느 직업이든 견습 기간이 있는 것처럼, 조금 하다가 힘들다고 쉽게 포기해서는 안 된다고 생각했다”고 말했다. 포기하지 않고 정진하다보니 어느새 이 분야의 전문가가 될 수 있었다고.
마지막으로 정 교수는 “10년 뒤 어느 분야가 유망할지는 알 수 없다”며 “전공을 선택할 때는 하고 싶은 것을 선택하라”고 조언했다. “미래의 일들을 너무 미리 걱정하는 것은 배터리의 자가 방전처럼 에너지를 소진시킬 수 있습니다.” 배터리 전문가다운 조언이었다.
[연구실 人사이드] ‘90%의 실패’에서도 배운다
정윤석 교수팀이 실험실을 배경으로 사진을 촬영했다. 아직 연구실의 역사가 오래지 않아 졸업생들이 많지 않다. 배출된 3명의 졸업생은 배터리 관련 대기업에서 근무하고 있다. 현재 배터리의 중요성이 날로 커지고 있어 전망은 매우 밝다. 전고체 배터리가 상용화되면 기회는 더욱 많아질 것이다. | 사진: 아자스튜디오 이서연
연구원들에게 연구실의 자랑이 무엇이냐고 물었더니 ‘젊은 교수님’이라는 대답이 돌아왔다. 젊기 때문에 열정이 많고, 학생들과 눈높이가 맞다고 한다. 또 교수가 정확하고 세세하게 연구 방향을 제시해주기 때문에 배우는 것이 아주 많다고.
정 교수는 “화학이라는 분야가 원래 꼼꼼함이 필요하다”면서 “화학 실험을 하다 보면 10번 중 9번이 실패일 정도로 생각대로 되지 않는 경우가 대다수인데, 잘못된 실험도 꼼꼼하고 집요하게 분석하고 검토해야 한다”고 말했다.
현수랑 과학동아 기자 | hsr@donga.com
<본 기사는 2017년 4월 ‘과학동아’에 “안전한 배터리 전기자동차를 꿈꾸다”라는 제목으로 실린 것입니다.>
