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    배터리의 미래

    배터리의 미래 ‘자원의 한계’를 넘어 지속가능한 소재를 찾아서

    • 스탠리 위팅엄 외 저
    • 이음
    • 2021년 12월 31일
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    ISBN: 9791190944571 208쪽 135 x 210 (㎜)

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    출판사 리뷰

    늘 경험하고 있지만,
    잘 몰랐던 배터리 이야기

    리튬이온배터리, 전고체 배터리, 양극재.음극재 등의 전문용어가 이젠 일반인들에게도 그다지 낯설지 않은데, 배터리 관련주에 대한 뜨거운 관심 때문이다. 저자들은 일반인들도 어디선가 들어본 이야기를 보다 전문적으로, 그러나 비교적 쉽게 풀어준다.

    배터리는 재생에너지 생태계에 필수적인 기술이지만, 배터리를 만드는 원료들도 역시 자원의 한계에 봉착해 있다. 현재 리튬이온배터리는 200GWh(기가와트시) 정도가 생산되는데, 2028년에는 1TWh(테라와트시) 규모가 생산될 것으로 예측한다. 이 정도의 리튬이온배터리를 생산하려면 니켈이든 코발트든 금속이 100만 톤은 필요한데, 니켈은 1년에 220만 톤 정도밖에 생산되지 않는다. 배터리 산업은 스테인리스강에 니켈을 많이 쓰는 건설업계와 자원 쟁탈전을 벌여야 하는 구조다. 새로운 배터리 소재가 계속해서 연구되는 절실한 이유다.

    몇 년 전 배터리 폭발 사고가 처음으로 문제되기 시작했을 때, “배터리가 왜 터져? 폭탄이야?”하는 정도의 이해만 갖고 있던 이들이 많았다. 액체 전해질 배터리의 기본 원리와 구조를 알고 나면, 배터리 안전 문제가 무엇인지, 전고체 배터리가 주목받는 이유와 그 한계는 무엇인지까지 잘 이해하게 된다. 더 나아가 배터리 전극 팽창을 막는 ‘바인더’ 기술이 무엇인지 등 산업 전반의 주요 관심사를 알게 되면, 우리가 매일같이 일상적으로 충전하고 있는 배터리 속에 사실상 우리의 ‘미래’가 담겨 있다는 것을 깨닫게 된다.

    지속가능한 미래를 충전하는 배터리

    인류가 내연기관에 올라타 20세기를 질주해 왔다면, 21세기의 지속가능한 미래를 활주할 수 있는 기술은 배터리에 있다.

    전기차 시대가 막 열리고 있는 지금, 조만간 중고 전기차의 거래가 또 일상의 큰 변화를 가져올 것이다. 전기차 배터리 팩은 10년이 지나도 85~90%의 성능을 유지한다고 한다. 자원이 가득 투입된 그 배터리 팩을 재활용을 위해 분해하느냐, 중고로 다른 소비자에게 넘기느냐(그렇다면 잔여 성능 보증을 어떻게 하느냐), 에너지 저장장치(ESS) 설비로 넘겨 재생에너지를 담는 발전소 역할을 맡기느냐. 과학을 넘어 우리 사회의 정책적 합의가 필요한 분야들이 많다. 수년 안에 반드시 사회적 이슈가 될 기술적 문제들을 ‘선행학습’하는 용도로도 큰 도움이 되는 내용들이다.

    인간 생체에서 벌어지는 에너지 대사를 응용해 생물학적 소재로 배터리를 만드는 공상과학 같은 혁신적 실험까지 소개하는 강연들이, 매우 전문적이지만 대단히 흥미진진하다. 또한 첨단 배터리 분야에서 이미 중요한 업적을 이룬 한국 학자들의 활약상도 이 책에서 확인할 수 있다.

    저자 소개

    스탠리 위팅엄 외

    저자 : M. 스탠리 위팅엄
    리튬이온배터리 연구의 선구자로 2019년 노벨 화학상을 공동 수상했다. 영국 옥스퍼드대에서 박사 학위를 받은 뒤 미국 석유기업 엑손에서 배터리를 연구했으며 엔지니어링 부문 총괄을 역임했다. 이후 학계로 옮겨 지금은 뉴욕 주립대(빙엄턴) 화학과 석좌교수를 맡고 있다.

    저자 : 거브랜드 시더
    UC버클리 공과대학 대니얼 M. 텔렙 석좌교수. 벨기에 출신으로 루뱅 대학을 나와 UC버클리에서 재료공학 박사를 받았다. 리튬이온 배터리, 전고체 배터리 등 대안 에너지 저장장치 관련 연구의 권위자다. 다양한 분야에 걸친 배터리 공동연구로 한국 학자들과 인연이 깊다.

    저자 : 강기석
    서울대 재료공학부 교수. 서울대 재료공학과를 졸업하고 MIT에서 재료공학 박사 학위를 받았다. 카이스트 신소재공학과 교수(2009~2012)를 지낸 뒤 서울대로 옮겼다. 주요 연구 분야는 공학을 활용한 배터리용 신소재 설계이다.

    저자 : 최장욱
    서울대 화학생물공학부 교수. 서울대 화학공학과를 졸업하고 칼텍에서 노벨 화학상(2016년)을 수상한 프레이저 스토더트 교수의 지도로 박사학위를 받았다. 카이스트 교수(2010~2017)를 지낸 뒤 서울대로 옮겼다. 홍진기 창조인상(2019), 대통령 젊은과학자상(2015)을 수상했다. 이차전지 소재 및 시스템 연구가 주요 연구 분야다.

    목차

    축사 (최종현학술원 이사장?SK회장 최태원)
    발간사 (최종현학술원장 박인국)

    1. 리튬이온배터리 기술과 지구의 미래 (M. 스탠리 위팅엄)
    1972년 이후, 세상을 바꾼 연구
    장난감에서 우주정거장까지, 배터리 기술의 진화
    재생에너지에 꼭 필요한 리튬이온배터리
    배터리의 원리와 변천사
    아직은 ‘30점짜리’ 배터리 에너지 밀도
    에너지 밀도 개선을 위한 도전 과제
    ‘배터리 500’ 프로젝트의 최근 성과들
    배터리 양극재의 역사: 타이타늄에서 바나듐까지
    배터리 업계가 당면한 문제들, 어떻게 변화될 것인가?
    노벨상의 교훈: 젊은 과학도들에게

    2. 리튬이온배터리의 발전과 대체 기술 (거브랜드 시더)
    휴대전화 켜던 배터리, 이젠 비행기도 날리다
    ‘원전급’ 태양광 발전소를 짓는 세상이 오다
    1년이면 짓고 가동하는 ‘발전소’
    리튬이온배터리, 자원과 효율의 ‘한계’
    ‘코발트·니켈 중독’에 빠진 배터리, 해법은?
    재료의 ‘저주’ 풀기, 현대의 연금술사 ‘AI 실험실’
    배터리의 새 지평: 새로운 ‘불규칙 양극재’가 쏟아지다
    ‘더 다양한 배터리’ 자원의 한계를 넘어서
    신소재 개발을 위한 ‘패스트 트랙’
    신소재 개발을 앞당길 ‘타임머신’: 미래의 AI 실험실
    400만 개 논문을 읽어주는 AI…신소재를 만들어 주는 로봇
    미래를 보고 혁신하는 자가 승리하리라

    3. 비정질 암염(DRX): 지속가능한 자원을 이용한 양극재 개발 (거브랜드 시더)
    배터리의 ‘한계’
    1) 공학이 아닌 물리화학적 제약
    2) 기술이 아닌 자원의 ‘한계’
    가상 실험실로 배터리 소재의 한계 넘기
    배터리의 새로운 가능성, DRX의 발견
    비정질 암염의 가능성을 드러내는 불소(F) 치환
    ‘안전한’ 배터리 신소재, 불화의 비밀
    ‘단범위 규칙’이라는 발목
    고엔트로피를 이용한 속도 개선
    부분 비정질 스피넬(spinel) 양극재
    배터리의 ‘가격 혁명’과 지속 가능성
    어떤 금속이든 배터리로 통하게 하라

    4. 층상 양극재 기반의 첨단 리튬이온배터리 기술 (강기석)
    최근의 흥미로운 발견: 누적 산화환원 반응
    리튬 과잉 층상 소재의 고질적 문제: 전압 감소
    전압 감소 문제의 ‘해결사’: 산화환원 버퍼
    두 번째 관문: 율속 특성
    ‘비대칭’ 리튬 확산: 새로운 인터칼레이션 메커니즘의 필요성
    전이금속이 ‘샛길’로 새는 것 막기
    O2 유형 리튬 과잉 층상 구조 합성
    층상 구조의 새로운 화학: 인터칼레이션 모델의 재검토

    5. 엔트로피를 이용한 실시간 배터리 모니터링 (최장욱)
    전기차 운전자의 의문
    배터리 관리 시스템(BMS)의 기본 기능
    더 스마트한 BMS, 밖에서 안으로
    열역학 정보를 활용한 소재 모니터링
    엔트로피와 층상 구조 원자 배열의 상관 관계
    열역학 측정을 통한 비파괴적 소재 상태 모니터링
    엔트로피 측정의 방법론
    스마트한 BMS 구현을 위한 데이터 축적

    6. 차세대 배터리를 위한 첨단 바인더 설계 (최장욱)
    배터리 기술 혁신: 소재뿐 아니라 ‘전극’도 중요하다
    바인더, 실리콘 음극의 팽창을 막아라
    고탄성 고분자: 하이드로젤의 흥미로운 세계
    폴리로택세인 기반 바인더의 효율
    전고체 배터리에서 바인더의 역할
    ‘탈보호 화학’으로 새로운 바인더 설계
    전고체 배터리의 미래를 꽉 쥐고 있는 새로운 바인더

    7. 생물학적 에너지 변환에 기반한 차세대 배터리 기술 (강기석)
    새로운 배터리, 우리 몸을 들여다보다
    생물학적 시스템으로 만든 첫 배터리, 그러나…
    우리 몸, 액체 상태의 전기화학 반응
    충·방전 때 색이 바뀌는 배터리: BMS의 새로운 가능성
    배터리, 한계를 넘는 ‘학제간 접근’을 위하여

    8. 종합토론: 지속가능한 미래를 충전하는 배터리

    용어해설집
    참고문헌

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