Mya Le Thai의 20만 회 배터리 실험: UCI의 획기적 연구가 이룬 성과

놀라운 결과를 낳은 3개월간의 실험

캘리포니아대학교 어바인 캠퍼스(UCI) 실험실에서 박사과정 연구원 마이 레 타이는 실험용 전극을 20만 회에 이를 때까지 반복해서 충전하고 방전했다. 3개월 후 연구진은 용량이나 출력 저하가 없고 나노와이어가 끊어진 흔적도 없다는 사실을 확인했다. UCI는 연구 결과가 ACS Energy Letters에 게재된 2016년 4월 20일 이를 발표했다.

이 소재는 금 나노와이어, 이산화망간 코팅, 그리고 플렉시글라스와 비슷한 젤 전해질을 결합한 것이다. 내구성은 해결하기 쉽지 않은 문제에 대한 해법의 가능성을 보여줬다. 전기 에너지 저장에 유용한 미세한 와이어가 반복 사용 과정에서 균열이 생기는 문제다.

이 발견은 미래의 노트북 배터리가 400년간 지속될 수 있다는 눈길을 끄는 주장도 낳았다. 이 수치는 실험에서 나온 충방전 횟수를 가정된 사용률에 따라 연수로 환산한 것이다. 실제 성과는 3개월간 진행된 실험에서 20만 회의 충방전을 견딘 실험실 전극이었다.

발표 후 거의 10년이 지났지만 나노와이어 연구 결과는 여전히 실험실 수준의 개념 증명에 머물러 있다. 타이는 이후 박사학위를 받고 전기 운송수단용 배터리 연구에 뛰어들었다. 취약한 배터리 소재를 반복 사용에도 온전하게 유지할 수 있는 방법을 보여준다는 점에서 그의 실험은 계속 주목받고 있다.

얇은 젤 층이 실험을 바꾼 방법

베트남계 미국인 연구자인 타이는 나노와이어를 연구하던 중 실험 구조에 얇은 젤 코팅을 더해봤다. 시험은 1만 회를 넘어 며칠 뒤 3만 회에 이르렀는데도 전극은 계속 작동했다. 이후 시험은 20만 회까지 진행됐다.

연구 논문의 책임저자이자 당시 UCI 화학과 학과장이었던 레지널드 페너는 대학의 2016년 4월 발표에서 뜻밖의 발견을 설명했다.

마이는 이것저것 시도하다가 전체를 아주 얇은 젤 층으로 코팅하고 충방전을 시작했습니다.” 페너는 말했다. “젤을 사용한 것만으로 용량 손실 없이 수십만 회 충방전할 수 있다는 사실을 발견했죠.

페너는 비슷한 구조물이 대개 5,000~7,000회 충방전 후 고장 나기 때문에 결과가 놀라웠다고 말했다. 이 수치와 비교하면 UCI 전극의 20만 회는 약 29~40배에 해당한다. 이는 페너가 언급한 구조물에 견준 개선 폭을 나타낸다.

뜻밖이었던 점은 젤 처리의 효과였다. 그 가치를 입증하려면 꾸준한 시험이 필요했다. 타이는 전극의 전기적 성능이나 물리적 구조가 저하되는지 확인하며 몇 달 동안 충방전을 이어갔다.

나노와이어에 보호가 필요한 이유

나노와이어는 사람 머리카락보다 수천 배 가늘다. 전기 전도성이 뛰어나고 크기에 비해 표면적이 넓어 전극을 만드는 데 매력적인 소재다. 전극은 전기화학 반응을 통해 배터리에 전하를 저장하고 방출하는 부분이다.

반복적인 충전과 방전은 이러한 구조물에 부담을 준다. UCI는 일반적인 리튬이온 배터리에서 나노와이어가 사용 중 팽창하고 취약해질 수 있다고 설명했다. 그러면 균열이 생겨 전극이 제대로 작동하는 데 필요한 연결 구조가 끊어질 수 있다.

타이의 실험 구조는 크게 세 가지 요소로 이뤄졌다. 금 나노와이어가 중심을 이루고, 이산화망간이 이를 둘렀으며, 젤 전해질이 전체 구조를 덮었다. 전해질은 이온이라고 불리는 하전 입자가 에너지 저장 장치 내부를 이동하도록 한다.

연구진은 젤이 금속 산화물을 가소화했다고 추정했다. 쉽게 말해 코팅을 더 유연하게 만들어 균열 없이 움직임을 견디도록 했을 가능성이 있다. 구조가 온전하게 유지되면서 전극은 반복 충방전에도 성능을 보존할 수 있었다.

UCI에 따르면 3개월간의 시험이 끝난 뒤에도 전극에서 용량이나 출력 저하, 나노와이어의 파손은 감지되지 않았다. 용량은 장치가 저장할 수 있는 전하량을, 출력은 에너지를 얼마나 빠르게 전달할 수 있는지를 나타낸다. 두 특성 모두 실용적인 배터리에 중요하다.

성능 수치의 의미

실험은 평균 쿨롱 효율이 94~96%에 이른 것으로도 소개됐다. 쿨롱 효율은 방전 때 회수한 전하량을 충전 때 투입한 전하량과 비교한 값이다. 효율이 94%라면 공급한 전하 100단위당 약 94단위를 회수했다는 뜻이다.

용량 유지율과 쿨롱 효율은 서로 다른 성능을 나타낸다. 용량 유지율은 반복 사용에 따라 전극이 저장할 수 있는 양이 줄어드는지를 추적한다. 쿨롱 효율은 충방전 과정에서 들어가고 나오는 전하량을 비교한다. 전극이 저장 용량을 유지하면서도 투입된 양보다 적은 전하를 돌려줄 수 있다.

스탠퍼드대 연구진이 2007년 개발한 나노배터리 구성은 앞서 4만 회 충방전에 도달했다. UCI의 20만 회는 그 수치의 5배지만, 두 장치는 구성이 달랐다. 따라서 결과를 비교할 때는 설계와 시험 조건을 고려해야 한다.

노트북 배터리와 비교해도 눈에 띄는 결과다. 일반적인 노트북 배터리의 충방전 횟수로 흔히 제시되는 300~500회와 비교하면 20만 회는 400~약 667배에 달한다. 이 수치는 실험이 주목받은 이유를 보여주지만, 상용화하려면 적절한 용량과 소재, 안전성, 제조 비용을 갖춘 완전한 배터리를 개발해야 한다.

400년이라는 추정치의 근거

이 추정은 노트북이 2년 동안 충전 주기 1,000회를 완료한다고 가정한다. 즉 1년에 500회다. 20만 회를 500으로 나누면 400년이 나온다. 계산의 각 단계는 간단하지만, 이 기간은 실험실 결과를 외삽한 것이다.

타이의 전극은 3개월간 연속 시험을 거쳐 충방전 횟수에 도달했다. 일상에서 사용하는 배터리는 일부 충전된 상태로 방치되기도 하고, 온도 변화에 노출되며, 다른 부품과 함께 작동해야 한다. 완제품은 사용자가 실제로 겪게 될 조건에서 시험을 거쳐야 한다.

실용적인 목표는 배터리 교체 전까지 더 오래 사용하는 것이다. 노트북 사용자라면 컴퓨터를 쓸 수 있는 기간 중 더 오랫동안 같은 배터리를 쓸 수 있다는 뜻이다. 자동차 제조업체라면 배터리를 교체해야 할 때까지 더 많은 충전과 주행을 견디는 에너지 저장 시스템을 만들 수 있다.

연구진이 추가로 규명해야 했던 점

UCI의 2016년 5월 후속 발표는 이산화망간 코팅을 이해하기 위한 추가 연구를 소개했다. 연구진은 젤이 소재가 덩어리로 부서지는 것을 막는다는 점은 확인했지만, 소재 자체가 어떻게 변하는지는 계속 조사하고 있었다.

논문 책임저자이자 화학과 학과장으로서 페너는 다음 과제를 설명했다.

“마이는 지금 이산화망간 소재에서 무슨 일이 일어나는지 더 잘 파악하기 위해 여러 연구를 진행하고 있습니다. 젤이 소재가 덩어리로 부서지는 것을 막는다는 점은 알고 있지만, 남아 있는 것이 젤이 없었을 때 존재했을 소재와 다른지는 아직 모릅니다.”라고 페너는 말했다.

이 과정을 이해하는 것은 결과를 재현하고 다른 소재에 적용하는 데 중요하다. 젤과 코팅의 어떤 특성이 전극을 보존하는지 연구진이 알아내면 반복 충전을 견디는 구조물을 더 의도적으로 설계할 수 있다.

이 연구는 메릴랜드대학교의 전기 에너지 저장 나노구조 에너지 프런티어 연구센터와 협력해 진행됐다. 연구비는 미국 에너지부 기초에너지과학부에서 지원했다.

금 나노와이어에서 실용 배터리까지

금은 대량 생산 시 비용 문제를 일으킨다. 연구진은 더 경제적인 설계를 위한 대안으로 니켈 등 저렴한 소재를 검토해 왔다. 금속을 바꾸면 그 결과로 만들어진 전극이 기존 구조의 내구성을 유지하는지도 확인해야 한다.

상용 배터리에는 긴 수명뿐 아니라 충분한 저장 용량, 유용한 출력, 신뢰할 수 있는 안전성, 합리적인 생산 공정이 필요하다. UCI 연구는 실험용 전극의 특정 약점, 즉 반복 충방전 과정에서 발생하는 물리적 손상을 해결했다. 이 성과를 제품으로 만들려면 다른 요건들도 함께 충족해야 한다.

UCI는 컴퓨터, 스마트폰, 가전제품, 자동차, 우주선을 잠재적 적용 분야로 꼽았다. 각 분야가 배터리에 요구하는 조건은 다르다. 휴대전화에는 소형 전원이 필요하고, 자동차에는 상당한 출력을 낼 수 있는 훨씬 큰 시스템이 필요하다. 우주선은 까다로운 환경에서도 신뢰성 있게 작동해야 한다.

타이는 이후 미국 배터리 기술 기업 에네베이트(Enevate)의 수석 과학자로 일하며 전기 운송수단용 첨단 배터리를 연구했다. 셀 사이의 열 확산을 늦추기 위한 기술을 비롯해 다른 발명에 관한 특허도 출원했다. 열 확산은 고장 난 셀에서 나온 열이 주변 셀로 번지는 현상이다.

연구 관련 발표에서 금 나노와이어 기술의 상용화 시점은 공개되지 않았다. 타이의 이후 경력은 최초 실험 이후 내구성과 안전성 문제를 비롯한 배터리 개발에 계속 참여해 왔음을 보여준다.

발견으로 이어진 주요 시점

이 이야기는 앞선 나노배터리 연구 결과, 수개월간의 실험실 충방전, 그리고 2016년 UCI의 발표 두 차례에 걸쳐 이어진다. 주요 시점을 함께 보면 발견이 이뤄진 시기와 연구 범위를 쉽게 파악할 수 있다.

• 2007년: 스탠퍼드대 연구진이 개발한 다른 나노배터리 구성은 보고된 충방전 횟수 4만 회에 도달했다.
• UCI 실험 기간: 타이의 젤 코팅 전극은 1만 회, 이어 3만 회를 넘긴 뒤 3개월 동안 20만 회에 도달했다.
• 2016년 4월 20일: UCI가 연구 결과를 발표했고, 결과는 ACS Energy Letters에 게재됐다.
• 2016년 5월 16일: UCI가 젤이 이산화망간에 미치는 영향을 계속 연구하는 내용을 담은 후속 발표를 냈다.
• 박사학위 취득 후: 타이는 산업계 배터리 연구에 합류했고 에네베이트의 수석 과학자가 됐다.

타이는 전극의 물리적 안정성 개선과 내구성 있는 배터리 개발 가능성에 초점을 맞춰 연구 결과를 설명했다. 연구를 이끈 박사과정 연구원으로서 그는 다음과 같이 말했다.

코팅된 전극은 형태를 훨씬 더 잘 유지해 신뢰할 수 있는 선택지가 됩니다.” 타이는 말했다. “이번 연구는 나노와이어 기반 배터리 전극이 긴 수명을 가질 수 있으며, 이런 배터리를 현실화할 수 있음을 보여줍니다.

핵심 내용

• 마이 레 타이의 UCI 전극은 3개월 동안 20만 회 충방전을 마쳤으며, 용량이나 출력 저하 또는 나노와이어 파손은 감지되지 않았다.
• 설계에는 금 나노와이어, 이산화망간, 그리고 균열 방지에 도움이 된 것으로 연구진이 본 젤 전해질이 사용됐다.
• 연구 결과는 2016년 4월 20일 ACS Energy Letters에 게재됐다.
• 400년이라는 추정치는 연간 500회 충방전을 가정한 계산이며, 실험실 시험은 3개월간 진행됐다.
• 금의 비용과 완전한 배터리에 필요한 요건은 상용화의 주요 과제로 남아 있다.
• 타이는 이후 에네베이트의 수석 과학자가 돼 전기 운송수단용 배터리를 연구했다.