[굿모닝 사이언스]에너지 저장장치 발전은 나노물질에 달렸다

나노 물질. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 지구를 보존하고 개선시키는 에너지 미래를 건설하는 도전은 거대한 사업이다. 그러나 그것은 모두 눈에 보이지 않을 정도로 작은 물질들을 통해 움직이는 충전 입자에 달려 있다.

과학자들과 정치인들은 세계의 에너지 생산과 소비라는 메커니즘에 시급하고 실질적인 변화가 필요하다는 것을 인식했다. 이 정도 규모의 코스 수정은 확실히 힘들지만, 사이언스지에 실린 새로운 보고서는 지속가능성을 달성하기 위한 기술적 경로가 이미 마련돼 있다고 시사하고 있다. 그것은 단지 그것을 따르기로 선택하는 문제일 뿐이다.

국제 연구팀이 작성한 이 보고서는 지난 20년 동안 에너지 저장을 위한 나노 물질 분야의 연구가 어떻게 지속 가능한 에너지원을 사용하는 데 필요한 큰 단계를 가능하게 했는지를 설명한다.

■재생에너지 저장 기술개발이야 말로 지구 살리기
드렉셀대 공과대학의 유리 고고트시 박사와 바흐 교수는 "지속 가능성 추구에 직면 한 가장 큰 문제는 모두 더 나은 에너지 저장의 필요성과 연결될 수 있다"고 말했다. "신재생 에너지원의 광범위한 사용, 전력망 안정화, 유비쿼터스 스마트 및 연결 기술의 에너지 수요 관리, 또는 전기로의 운송 수단 전환 등 우리가 직면하고 있는 문제는 에너지 저장 및 분배 기술을 어떻게 개선할 것인가 하는 것이다. 수십 년간의 연구개발 끝에 나노 물질이 그 질문에 대한 답을 제시 할 수 있을 것이다."
그린 뉴딜정책부터 파리협약, 다양한 지역 탄소배출 정책에 이르기까지 대부분의 에너지 지속 가능성에 대한 계획은 에너지 소비를 재점검하고 태양열과 풍력 발전과 같은 신재생에너지를 활용할 필요성을 주장하고 있다. 이러한 두 가지 노력의 병목 현상은 에너지 저장 기술의 개선이다.

재생 가능 자원을 에너지 그리드에 통합하는 문제는 자연의 예측할 수 없는 특성을 감안할 때 에너지 공급과 수요를 관리하기가 어렵다는 것입니다. 따라서 태양이 빛나고 바람이 불 때 발생하는 모든 에너지를 수용하고 높은 에너지 사용 기간 동안 신속하게 분배할 수 있는 대규모 에너지 저장 장치가 필요합니다.

고고트시는 "에너지를 수확하고 저장하는데 더 능숙해질수록 자연에서 간헐적인 재생 에너지원을 더 많이 사용할 수 있을 것"이라고 말했다. "배터리는 농부의 저장고인 사일로와 같다. 만약 그것이 충분히 크지 않고 농작물을 보존할 수 있는 방식으로 건설된다면, 긴 겨울을 넘기기가 어려울 것이다. 지금 당장 에너지 산업에서는 우리가 수확을 위해 올바른 사일로를 건설하려고 노력하고 있다고 말할지도 모른다. 바로 여기에서 나노 물질이 도움이 될 것이다."
■에너지 저장분야 나노소재 덕 본다
에너지 저장효율을 높이는데 멈추지 않는 것은 원자 수준에서 물질을 만들고 조작하는 과학자들에게 공동의 목표였다. 보고서에서 강조된 지난 10년 동안 그들의 노력은 이미 스마트폰, 노트북, 전기 자동차에 전력을 공급하는 배터리를 개선했다.

고고트시는 "최근 몇 년간 에너지 저장 분야에서 우리가 이룬 가장 큰 업적은 나노소재 통합 덕분"이라고 말했다. "리튬이온 배터리는 이미 배터리 전극에 탄소 나노튜브를 전도성 첨가제로 사용해 충전이 빠르고 오래 지속되고 있다. 그리고 점점 더 많은 수의 배터리는 저장되는 에너지의 양을 증가시키기 위해 양극에 나노실리콘 입자를 사용한다."
나노 물질의 도입은 점진적인 과정이며 앞으로 배터리 내부의 나노 스케일 재료를 점점 더 많이 보게 될 것이다.

오랫동안 배터리 설계는 주로 점진적으로 더 나은 에너지 물질을 찾아 더 많은 전자를 저장하기 위해 그것들을 결합하는 것에 기초해 왔다. 그러나 최근에, 기술 개발은 과학자들이 이러한 전송과 저장 기능에 더 잘 기여할 수 있도록 에너지 저장 장치의 재료를 설계할 수 있게 했다.

나노구조화라고 불리는 이 과정은 배터리, 콘덴서, 슈퍼캐패시터의 새로운 구성 요소로서 입자와 튜브, 파편과 나노 크기의 물질을 도입한다. 이 모양과 원자 구조는 전자의 흐름을 빠르게 할 수 있다. 즉, 전기 에너지의 심장박동이다. 그리고 그들의 넓은 표면적은 충전된 입자들에게 더 많은 휴식 공간을 제공한다.

■나노소재가 베터리 디자인까지 바꿨다
나노소재의 효과로 인해 과학자들은 배터리 자체의 기본 설계를 다시 생각할 수 있게 됐다. 전자가 충전과 방전 중 자유롭게 흐를 수 있도록 금속으로 만들어진 나노구조 재료를 사용하면, 배터리는 기존의 배터리에 필요한 금속 포일 전류 집전기를 제거함으로써 상당한 무게와 크기를 줄일 수 있다. 결과적으로, 배터리의 형태는 더 이상 전원을 공급하고 있는 장치의 제한 요소가 아니다.

배터리는 점점 작아지고, 충전 속도가 빨라지고, 오래 지속되며, 천천히 마모되고 있지만, 엄청난 양의 에너지를 지속적으로 저장하고, 장기간에 걸쳐 필요에 따라 분배할 수도 있다.

이 논문의 공동저자인 에카테리나 포메란트세바 박사는 "나노스케일 에너지저장소 분야에서 일하는 것은 매우 흥미롭다"고 말했다. "우리는 현재 그 어느 때보다도 더 많은 나노입자를 사용할 수 있으며, 다른 구성, 모양, 그리고 잘 알려진 특성을 가지고 있다. 이 나노입자들은 레고블록과 똑같으며, 기존의 어떤 에너지 저장장치보다 뛰어난 성능을 가진 혁신적 구조를 만들 수 있도록 스마트하게 조립할 필요가 있다. 이 과제를 더욱 매혹적으로 만드는 것은 레고와는 달리, 어떻게 다른 나노입자를 결합해 안정된 구조를 만들 수 있는지가 항상 명확하지 않다는 사실이다. 그리고 이러한 원하는 나노스케일 아키텍처들이 점점 더 발전함에 따라, 이 과제는 점점 더 도전적으로 돼 과학자들의 비판적 사고와 창의성을 촉발시킨다."
■나노소재 생산단가를 낮춰야
고고트시와 그의 공동 저자들은 나노소재를 활용하기 위해서는 일부 제조 공정을 업데이트해야 하고 그 크기가 커짐에 따라 재료의 안정성을 보장하는 방법에 대한 지속적인 연구가 필요할 것이라고 제안했다.

고고트시는 "기존 소재에 비해 나노소재 비용이 큰 걸림돌로 작용하고 있어 저비용·대규모 제조기술이 필요하다"고 말했다. "그러나 이것은 이미 중국의 배터리 산업 수요를 위해 수백 톤의 제조를 가진 탄소 나노튜브에서 이뤄졌다. 이런 방식으로 나노소재를 전처리하면 현재의 배터리 제조 장비를 사용할 수 있게 된다."
그들은 또한 나노소재를 사용하면 배터리의 핵심 부품이었던 특정 독성물질이 필요치 않을 것이라고 지적한다.

그러나 그들은 또한 미래 나노소재 개발을 위한 환경기준을 제정할 것을 제안한다.

고고트시는 "과학자들이 에너지 저장을 위한 새로운 물질을 개발할 때마다, 그들은 우발적인 화재나 소각 또는 폐기물 투기의 경우에도 항상 인간과 환경에 대한 독성을 고려해야 한다"고 말했다.

이들은 이 모든 것이 의미하는 것은 나노기술이 미래 지향적인 정책이 요구하는 에너지 소싱의 전환과 함께 발전할 수 있을 만큼 에너지 저장를 다용도로 만들고 있다는 것이다.

[e-mail] 김만기 기자

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