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2019. 10. 10. 07:20

마침내 리튬 이온 전지(Battery)가 노벨상을 받았다. 2019년 노벨 화학상은 리튬 이온 전지를 개발, 연구, 발전시킨, 세 명의 과학자가 공동 수상하게 됐다. 스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 존 구디너프(John B. Goodenough,97세) 미국 텍사스대 교수, 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham,78세) 미국 빙엄턴대 교수(78), 요시노 아키라(Akira Yoshino,71세) 일본 메이조대 교수 겸 아사히 가세이 명예연구원(71세)이, 올해 노벨 화학상 수상자로 선정됐다고 10월 9일(현지 시간) 발표했다. 

 

리튬 이온 충전지 개발 및 연구 공로를 인정받아 노벨상 후보로 처음 거론된 것은 지난 2015년이다. 이후 2016년에도 존 구디너프와 스탠리 교수는 2015년부터 노벨상 후보에 이름을 올려왔지만, 번번이 수상에 실패했다. 하지만 이번에 노벨상 공동 수상자로 선정되면서, 리튬 이온 전지를 개발하고 발전시킨 공로를 인정받았다. 요시노 아키라 교수는 1985년 리튬 이온 충전지를 세계 최초로 상용화한 공로로 수상했다.

 

2019 노벨 화학상 수상자로 선정된 존 구디너프 미국 텍사드대 교수, 스탠리 휘팅엄 미국 빙엄턴대 교수(78), 요시노 아키라 일본 메이조대 교수 겸 아사히가세이 명예연구원(71세)(삽화:노벨상위원회)

 

리튬 이온 전지는 모바일 혁명을 가능하게 한 숨은 주역, 모바일 시대를 대중화한 일등 공신이라 할 수 있다. 리튬 전지는 한번 사용하고 버리는 일차전지를 말하고, 리튬 이온 전지는 충전해서 재사용하는 이차전지다. 리튬 이온 전지는 방전할 때는 리튬 이온이 음극에서 양극으로, 충전할 때는 양극에서 음극으로 이동한다. 양극과 음극 사이에는 전해질이 채워져 있다. 

 

리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고, 니켈 카드뮴 전지처럼 메모리 효과가 없으며, 사용하지 않을 때 자연방전율이 낮다는 장점이 있다. 그래서 고출력 대용량의 전원이 필요한, 다양한 휴대용 장치의 전원으로 널리 활용되고 있다. 스마트폰, 노트북, 디지털 카메라, 캠코더 등의 일상 생활과 관련이 많은 제품부터, 전지로 구동되는 전기 및 전자 관련 장치가 있어야 하는 다양한 산업에서 광범위하게 사용되고 있다.

 

노벨상위원회는 2019 노벨 화학상 수상자들이 ‘충전이 가능한 세상을 열어줬다’고 밝히고, 세 명의 수상자를 선정하게 된 이유에 대해 발표했다. 먼저 리튬 이온 전지의 기초는 1970년 석유 파동(Oil Crisis) 시기에 정립됐다. 연구 주역인 스탠리 휘팅엄 교수는 초전도체 연구 중 발견한 에너지가 풍부한 티타늄 디설파이드(TiS2)라는 물질을, 리튬 이온 전지에서 효율적인 음극으로 활용하는 길을 열었다. 

 

휘팅엄(위), 구디너프(가운데), 요시노(아래) 교수의 리튬 이온 전지 구조(그림:노벨상위원회)

 

존 구디너프 교수는 음극으로 금속 황화물이 아닌 금속 산화물을 사용하면 더 큰 전위(전압)를 낼 수 있을 것으로 예측했다. 이를 기반으로 다양한 물질을 음극 재료로 활용하는 연구를 통해, 1980년 코발트 산화물을 사용하면 최대 4V의 전압을 낼 수 있다는 사실을 발견했다. 전지에서 4V를 낼 수 있다는 사실은 혁신적인 기술로 받아들여질 만큼 중요한 발견으로, 이전보다 훨씬 강력한 성능을 가진 충전지를 만들 수 있는 기반을 다졌다. 

 

요시노 아키라 교수는 구디너프 교수가 만든 음극 재료를 사용해서, 1985년 세계 최초로 현재 사용되는 리튬 이온 전지의 원형이라고 할 수 있는 상용 가능한 제품을 만들었다. 양극 재료는 반응성 리튬을 사용하는 대신, 음극의 코발트 산화물처럼 리튬 이온을 삽입할 수 있는 탄소 재료인 석유 코크스를 사용했다. 이를 통해 성능이 떨어지기 전에 수백 번 충전이 가능한, 가볍고 내구성이 뛰어난 리튬 이온 전지가 탄생했다.

 

리튬 이온 전지가 가진 구조와 반응 형태의 장점은, 전극에서 화학 반응이 일어나는 것이 아니라, 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동한다는 점이다. 리튬 이온 전지가 본격적으로 상용화되기 시작한 것은 1991년 소니에서 리틈 이온 전지를 상용화하면서부터다. 노벨상위원회는 리튬 이온 전지가 화석 연료가 없는 사회와 무선 시대의 토대를 마련해 인류에게 큰 혜택을 주었다고 선정 이유를 밝혔다. 

 

이번에 노벨 화학상을 받은 세 명의 과학자는 총 900만 크로네(약 10억 9000만원)의 상금을 세 명이 나눠서 받게 된다. 노벨 화학상 수상자는 1901년 이후 111차례 수상자를 냈으며, 공동 수상자를 포함해 올해까지 184명이 상을 받았다. 이번에 수상한 존 구디너프 교수는 노벨상 최고령 수상자로 기록되는 기록도 세웠다.