배터리의 미래 - 최종현학술원 과학기술혁신 시리즈 1

M.스탠리위팅엄,거브랜드시더,강기석,최장욱

리튬이온배터리연구의선구자로2019년노벨화학상을공동수상했다.영국옥스퍼드대에서박사학위를받은뒤미국석유기업엑손에서배터리를연구했으며엔지니어링부문총괄을역임했다.이후학계로옮겨지금은뉴욕주립대(빙엄턴)화학과석좌교수를맡고있다.

축사(최종현학술원이사장?SK회장최태원)
발간사(최종현학술원장박인국)

1.리튬이온배터리기술과지구의미래(M.스탠리위팅엄)
1972년이후,세상을바꾼연구
장난감에서우주정거장까지,배터리기술의진화
재생에너지에꼭필요한리튬이온배터리
배터리의원리와변천사
아직은‘30점짜리’배터리에너지밀도
에너지밀도개선을위한도전과제
‘배터리500’프로젝트의최근성과들
배터리양극재의역사:타이타늄에서바나듐까지
배터리업계가당면한문제들,어떻게변화될것인가?
노벨상의교훈:젊은과학도들에게

2.리튬이온배터리의발전과대체기술(거브랜드시더)
휴대전화켜던배터리,이젠비행기도날리다
‘원전급’태양광발전소를짓는세상이오다
1년이면짓고가동하는‘발전소’
리튬이온배터리,자원과효율의‘한계’
‘코발트·니켈중독’에빠진배터리,해법은?
재료의‘저주’풀기,현대의연금술사‘AI실험실’
배터리의새지평:새로운‘불규칙양극재’가쏟아지다
‘더다양한배터리’자원의한계를넘어서
신소재개발을위한‘패스트트랙’
신소재개발을앞당길‘타임머신’:미래의AI실험실
400만개논문을읽어주는AI…신소재를만들어주는로봇
미래를보고혁신하는자가승리하리라

3.비정질암염(DRX):지속가능한자원을이용한양극재개발(거브랜드시더)
배터리의‘한계’
1)공학이아닌물리화학적제약
2)기술이아닌자원의‘한계’
가상실험실로배터리소재의한계넘기
배터리의새로운가능성,DRX의발견
비정질암염의가능성을드러내는불소(F)치환
‘안전한’배터리신소재,불화의비밀
‘단범위규칙’이라는발목
고엔트로피를이용한속도개선
부분비정질스피넬(spinel)양극재
배터리의‘가격혁명’과지속가능성
어떤금속이든배터리로통하게하라

4.층상양극재기반의첨단리튬이온배터리기술(강기석)
최근의흥미로운발견:누적산화환원반응
리튬과잉층상소재의고질적문제:전압감소
전압감소문제의‘해결사’:산화환원버퍼
두번째관문:율속특성
‘비대칭’리튬확산:새로운인터칼레이션메커니즘의필요성
전이금속이‘샛길’로새는것막기
O2유형리튬과잉층상구조합성
층상구조의새로운화학:인터칼레이션모델의재검토

5.엔트로피를이용한실시간배터리모니터링(최장욱)
전기차운전자의의문
배터리관리시스템(BMS)의기본기능
더스마트한BMS,밖에서안으로
열역학정보를활용한소재모니터링
엔트로피와층상구조원자배열의상관관계
열역학측정을통한비파괴적소재상태모니터링
엔트로피측정의방법론
스마트한BMS구현을위한데이터축적

6.차세대배터리를위한첨단바인더설계(최장욱)
배터리기술혁신:소재뿐아니라‘전극’도중요하다
바인더,실리콘음극의팽창을막아라
고탄성고분자:하이드로젤의흥미로운세계
폴리로택세인기반바인더의효율
전고체배터리에서바인더의역할
‘탈보호화학’으로새로운바인더설계
전고체배터리의미래를꽉쥐고있는새로운바인더

7.생물학적에너지변환에기반한차세대배터리기술(강기석)
새로운배터리,우리몸을들여다보다
생물학적시스템으로만든첫배터리,그러나…
우리몸,액체상태의전기화학반응
충·방전때색이바뀌는배터리:BMS의새로운가능성
배터리,한계를넘는‘학제간접근’을위하여

8.종합토론:지속가능한미래를충전하는배터리

용어해설집
참고문헌

늘경험하고있지만,
잘몰랐던배터리이야기

리튬이온배터리,전고체배터리,양극재.음극재등의전문용어가이젠일반인들에게도그다지낯설지않은데,배터리관련주에대한뜨거운관심때문이다.저자들은일반인들도어디선가들어본이야기를보다전문적으로,그러나비교적쉽게풀어준다.

배터리는재생에너지생태계에필수적인기술이지만,배터리를만드는원료들도역시자원의한계에봉착해있다.현재리튬이온배터리는200GWh(기가와트시)정도가생산되는데,2028년에는1TWh(테라와트시)규모가생산될것으로예측한다.이정도의리튬이온배터리를생산하려면니켈이든코발트든금속이100만톤은필요한데,니켈은1년에220만톤정도밖에생산되지않는다.배터리산업은스테인리스강에니켈을많이쓰는건설업계와자원쟁탈전을벌여야하는구조다.새로운배터리소재가계속해서연구되는절실한이유다.

몇년전배터리폭발사고가처음으로문제되기시작했을때,“배터리가왜터져?폭탄이야?”하는정도의이해만갖고있던이들이많았다.액체전해질배터리의기본원리와구조를알고나면,배터리안전문제가무엇인지,전고체배터리가주목받는이유와그한계는무엇인지까지잘이해하게된다.더나아가배터리전극팽창을막는‘바인더’기술이무엇인지등산업전반의주요관심사를알게되면,우리가매일같이일상적으로충전하고있는배터리속에사실상우리의‘미래’가담겨있다는것을깨닫게된다.

지속가능한미래를충전하는배터리

인류가내연기관에올라타20세기를질주해왔다면,21세기의지속가능한미래를활주할수있는기술은배터리에있다.

전기차시대가막열리고있는지금,조만간중고전기차의거래가또일상의큰변화를가져올것이다.전기차배터리팩은10년이지나도85~90%의성능을유지한다고한다.자원이가득투입된그배터리팩을재활용을위해분해하느냐,중고로다른소비자에게넘기느냐(그렇다면잔여성능보증을어떻게하느냐),에너지저장장치(ESS)설비로넘겨재생에너지를담는발전소역할을맡기느냐.과학을넘어우리사회의정책적합의가필요한분야들이많다.수년안에반드시사회적이슈가될기술적문제들을‘선행학습’하는용도로도큰도움이되는내용들이다.

인간생체에서벌어지는에너지대사를응용해생물학적소재로배터리를만드는공상과학같은혁신적실험까지소개하는강연들이,매우전문적이지만대단히흥미진진하다.또한첨단배터리분야에서이미중요한업적을이룬한국학자들의활약상도이책에서확인할수있다.