지금부터 배워도 늦지 않았어!요시노 아키라 노벨상 수상자는 무엇을 했나

세계에서 가장 권위 있는 상이라고 할 수 있는 노벨상.매년 화제가 되고, 일본인 수상자가 있으면 큰 뉴스가 됩니다.그러나, 그 공적을 간결하게 설명할 수 있는 사람이 얼마나 있을까요.

호평 연재 "현역 도쿄대생의 사이언스 입문" 제5회는, 알기 쉬운 "리튬 이온 배터리의 구조"를 소개합니다!　


　세월이 흐르는 것은 빠른 것으로, 작년의 노벨상 발표로부터 반년 이상이 지났습니다.일본인에서는 요시노 아키라(1948-) 박사가 리튬 이온 배터리의 개발로 화학상을 수상했습니다.여러분 중 대부분이 요시노 박사의 이름을 들어 본 적이 있을 겁니다.

　하지만 요시노 박사가 무엇을 발견하고 어떻게 세계를 변화시켰는지 모르는 사람도 많지 않을까요?

　그런 이유로, 이번에는 "리튬 이온 배터리"의 이야기입니다.

 

애초에 '전지'가 뭐야?

리튬 이온 배터리의 개용 Illustration by iStock

　리튬 이온 배터리는, 전지의 플러스 극과 마이너스 극 사이를 리튬 이온이 왕래하는 것으로써 전기를 만들어 내는 전지입니다.리튬 이온 배터리의 특징으로서 수백번 반복 충전할 수 있어 다른 충전할 수 있는 전지에 비해 가볍고, 전압이 높은 일이 있습니다.

　이 특징으로 인해 스마트폰 등 휴대용 전자기기를 장시간 쾌적하게 사용할 수 있게 되었습니다.게다가 태양광등의 날씨에 좌우되기 쉬운 재생 가능 에너지에 의한 전기를 모을 수 있게 되었습니다.이러한 진보가 노벨상 위원회로 평가되고 있습니다.

　그럼 이 특징은 어떻게 생겨난 것일까요?이것을 해명해 나가기 전에, 우선은 전지에 대해 설명합시다.전지란 화학 반응 등에 의해 물질이 원래 가지고 있는 에너지를 전기로 바꾸는 장치입니다.

　물질이 화학 반응을 일으킬 때 반응하는 물질끼리 전자라는 마이너스 전기를 띤 입자를 주고받습니다.전지에 도선등을 연결하면, 전지안의 물질이 화학 반응을 일으켜, 생긴 전자가 도선안을 흐릅니다.이 전자 흐름이야말로 전기입니다.

 

 

리튬이온의 이점
스탠리 위팅엄 Photo by Getty Images

　앞서 말한 것처럼 리튬이온전지는 리튬이온의 왕래에 의해 전기를 만들어 내고 있습니다.리튬 이온이란, 리튬이라는 금속에서 전자가 하나 빠져서 플러스 전기를 띤 것입니다.

　리튬은 가볍고 또한 금속이 이온이 될 때의 에너지 변화가 큰 성질이 있습니다.즉, 리튬은 가벼운데 높은 전압을 낼 수 있는, 전지에 매우 적합한 성질을 하고 있는 것입니다.

　작년의 노벨 화학상 수상자 중 한 명인 스탠리·위팅엄(Michael Stanley Whittingham, 1941-) 박사는, 이 특징을 살려 리튬 전지를 발명했습니다.이것은 마이너스극에 금속 상태인 리튬을, 플러스극에 이황화 티타늄을 사용하고 있습니다.이황화 티타늄은 층상 구조를 하고 있기 때문에 리튬 이온이 출입할 수 있는 것입니다.

　이와 같이, 층상의 화합물에 이온이 출입하는 것은 "인터커레이션"이라고 불리며, 후의 전지 재료의 연구에도 응용되고 있습니다.이 리튬전지는 기존보다 높은 2V 이상의 전압을 안정적으로 낼 수 있고 또 장기 보존할 수 있습니다.

 

리튬이온전지의 약점과 진화

　하지만 이 리튬전지에는 몇 가지 문제가 있었습니다.사실 금속 상태의 리튬은 물이나 공기와 바로 반응해 발화해 버리기 때문에, 전지의 외부 캔에 금 등이 들어가면 폭발할 우려가 있습니다.이 발화의 위험성 때문에, 리튬 배터리는 충격 등에 약한 것이었습니다.또 폭발 위험이 있기 때문에 충전도 할 수 없습니다.

　게다가, 플러스극에 사용되는 이황화 티타늄은 무겁기 때문에 리튬의 가벼움이 살아나지 않고, 게다가 물에 대해서 불안정한 성질을 가지고 있었습니다.

　거기서 등장하는 사람이, 또 한 명의 노벨 화학상 수상자 존·굿이나프(John Bannister Goodenough, 1922-) 박사입니다.굿이나프 박사는 양극에 이황화 티타늄 대신 같은 층 구조의 산화 리튬코발트(III)를 사용한 리튬전지를 개발합니다.

　이는 4V라는 더 높은 전압을 낼 수 있었습니다. 하지만 반복 충전하면 마이너스극인 리튬이 바늘처럼 늘어나 플러스극에 달라붙어 합선을 일으켜 폭발해 버리는 문제가 있었습니다.

　그래서 요시노 아키라 박사가 금속 리튬 대신 흑연수를 마이너스 극으로 사용한 리튬 이온 배터리를 개발한 것입니다.

　흑연화는 탄소로 되어 있기 때문에 석유에서 취할 수 있습니다.또한 흑연 구조는 이황화 티타늄이나 산화 리튬코발트(III)와 같이 층층이 리튬이온을 축적할 수 있습니다.

　이로 인해 반응성이 높은 금속 상태의 리튬을 사용할 필요가 없어져, 리튬 이온 배터리가 안전하게 상업적으로 이용되게 된 것입니다.

새로운 과제와 연구자의 진력
　현재 우리가 당연하게 사용하고 있는 휴대용 디바이스등의 전지 하나만으로도, 수많은 과학자의 노력과 지식이 응용되고 있습니다.하지만, 현재의 리튬 이온 배터리에도, 발화의 위험성이나 원재료비의 높이등의 많은 과제가 남아 있습니다.

　또한 전기자동차 등의 보급에 따라 고성능 충전 가능한 전지가 더욱 요구되고 있습니다.연구자들은 그러한 과제를 해결하기 위해, 밤낮으로 연구에 힘쓰고 있는 것입니다.

　물론, 전지 이외의 분야에서도 수많은 연구자가 보다 나은 미래를 위해서 진력하고 있습니다.이 기사를 계기로 궁금했던 기술이나 과학자가 있다면 꼭 한 번 알아보는 것은 어떨까요?