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2024-11-14 (목)

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NASA, 리튬 배터리 에너지 밀도 '획기적' 개선

높은 에너지 효율로 주목 받아온 리튬 배터리가 환경 문제와 비싼 비용 문제로 여론의 뭇매를 맞고 있다. 에너지 기업들은 이에 대응해 대체재와 새로운 처리 기술 개발에 열을 올리고 있다. 이러한 가운데 미국 항공우주국(NASA)이 리튬을 대체하면서도 에너지 밀도를 눈에 띄게 개선했다는 소식이 전해져, 산업계에 큰 주목을 받고 있다. 미국 매체 '굿뉴스네트워크(GoodNewsNetwork)'는 나사가 기존 리튬 이온 배터리보다 배터리 수명과 방전 능력이 월등히 뛰어난 새로운 기술을 연구 중이라고 전했다. 현재 전기차의 핵심 기술로 자리 잡고 있는 리튬 이온 배터리는 사용 시간이 길어질수록 과열과 화재 위험, 전원 손실 등의 문제를 안고 있다. 이에 나사의 최신 프로젝트인 'SABERS(Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety)'는 이 문제점을 해결할 수 있는 고체 상태 배터리 팩 개발에 성공했다. 나사의 이번 연구 성과가 상용화된다면 전기차는 물론 다양한 전자기기의 배터리 수명과 안전성 문제에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보인다. SABERS는 항공 분야의 중대한 도전과제를 극복하기 위해 설계된 나사의 'CAS(Convergent Aeronautics Solutions)' 프로젝트에서 투자를 받아왔다. 이 프로젝트의 주요 연구 목표는 배터리를 활용한 항공기 운용이다. 현재 항공기는 전 세계 온실가스 배출량 중 약 2%를 차지하고 있어, 환경 오염 문제의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다. 배터리는 탄소 배출이 많은 제트 연료에 대한 잠재적인 개선책으로 간주된다고 굿뉴스네트워크는 설명했다. SABERS의 최근 연구 성과로, 고체 상태 배터리는 지난해 시장의 다른 제품들보다 10배나 빠른 에너지 방출 속도를 보였으며, 기술 개선을 통해 이 수치가 추가로 5배 향상됐다. 또한 배터리 내의 황과 셀레늄 셀은 케이스 없이 직접 적층되어 무게 절감이 가능하다. 이로 인해 여러 배터리를 분리 과정 없이 쉽게 쌓을 수 있어 효율성이 높아졌다. 나사의 글렌 연구 센터에서 활동 중인 SABERS팀의 수석 연구원 로코 비기아노(Rocco Viggiano) 박사는 "현대 배터리 중 가장 첨단으로 여겨지는 리튬 이온 배터리에 비해, 새롭게 연구 중인 배터리의 에너지 저장 능력이 2~3배 높아질 것이며, 이에 따른 배터리의 중량도 30~40% 감소할 것"이라고 밝혔다. 또한 SABERS 연구팀은 이번 연구 성과로 현재 전기 자동차의 2배에 해당하는 1kg당 500와트시로 물체에 동력을 공급할 수 있게 됐다. 나사는 "올해 SABERS 프로젝트의 핵심 목표는 배터리의 성능이 에너지 및 안전 기준을 만족하면서도 실제 환경에서 최대 출력에서도 안전하게 작동할 수 있다는 것을 입증하는 것이었다"고 전했다. 나사의 SABERS 팀은 배터리 연구를 위해 조지아 공과대학과 협력을 펼쳐왔다. 비기아노 박사는 "조지아 공과대학은 배터리 셀의 작동 중 미세한 변화에 주목하고 있으며, 이러한 연구가 SABERS 팀에게 배터리 내부 압력의 변화를 관찰하는 데 큰 도움을 줬다"고 설명했다. 비기아노 박사는 또 "조지아 공과대학과의 협업을 통해 셀 제조 방식을 실질적으로 어떻게 최적화할 수 있는지에 대한 인사이트를 얻을 수 있었고, 이는 다양한 개선 방안으로 이어졌다"라고 강조했다. 나사가 연구 중인 'SABERS' 배터리는 고체 형태로 구성돼 화재 위험이 없어 항공기에 필요한 동력 공급에서 큰 장점을 보인다. 특히 이 배터리는 현존하는 리튬 배터리보다 두 배 더 높은 온도에도 안정적으로 작동하며, 경량화된 구조로 인해 제한된 공간 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 강점을 가지고 있다. 하지만, 이런 고성능 배터리의 제작 비용이 상당히 높아 실제 상용화까지는 시간이 소요될 것으로 전망된다.
- 산업
2023-10-10
지구 자전축, 80cm 또 기울어진 이유는?

지구의 자전축 기울기가 약 80cm(약 31.5인치)나 또 어긋난 것으로 밝혀졌다. 최근에 '지구의 기울기'가 다시 화제가 되고 있는 가운데, 과학자들의 조사에 따르면 지구의 기울기 변동이 가속화되어 31.5인치(약 80 센치)나 변경된 것으로 확인됐다. 이 데이터는 2023년 6월 지구과학 저널 「지구물리학 연구 레터(Geophysical Research Letters)」에 게재된 연구에 따른 것으로, '지하수의 과도한 채취'가 지구 기울기의 주요 원인으로 보고됐다. 또한 이 연구에서는 "지구의 기울기 변화와 전 세계적인 해수면 상승(약 0.24인치 또는 약 6mm) 간에 연관성이 있다"고 지적했다 지구 자전축의 변화가 세계 해수면에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 지하수 채취가 왜 자전축의 기울기에 영향을 주는지, 그리고 자전축의 기울기가 31.5인치로 커진 것이 실제로 얼마나 큰 문제인지에 대해 정리했다. 먼저 자전축의 기울기는 지구에 어떤 영향을 미칠까. 자전축의 기울기는 지구를 특징짓는 특징 중 하나다. 자전축이 기울어져 있기 때문에 지구에는 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 계절이 발생하는 지역이 있으며, 북극과 남극에서는 궁극적으로 극야(위도 66.55도 이상인 극지방에서 겨울철에 해가 뜨지 않고 밤만 계속되는 기간)와 극주야(?)/백야(해가 지지 않아 밤에 어두워지지 않는 현상)가 존재한다. 이 현상을 놀이기구를 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 자전축이 공전 궤도에 수직이라면, '틸트 어 휠(Tilt-a-Whirl)' 놀이기구처럼 어느 북반구나 남반구에서도 일년 내내 일정한 일조 시간을 가지며, 태양의 궤도 위치가 항상 같아 시간의 흐름에 따른 변화가 없을 것이다. 이와 같은 상황은 북극점과 남극점에서도 동일한 상황이 지속될 것이다. 하지만, 지구는 기울어져 있기 때문에 '틸트 어 휠' 내부에 있는 것처럼 중심(태양)이나 수평선에 가까워질 때도 있고 멀어질 때도 있다. 우리가 평소에 단단하다고 느끼는 지구의 안정성은 실제로는 그렇지 않다. 지구의 지각은 주로 단단한 암석으로 구성되어 있으며, 대부분의 지역에서는 약 40킬로미터(약 25마일)의 깊이에 이른다. 1 평방피트(약 930㎠) 크기의 지표면 아래 40킬로미터 깊이의 지각 부분은 부피로 따지면 대략 1만1000톤으로 추정된다. 이것은 2012년 티레니아 해에서 전복된 호화 여객선 코스타 콘코르디아(약 11만4000톤)의 무게와 거의 비슷하며, 이 배를 원래의 상태로 세울 수 있는 무게와 동일하다. 그러나 태양계 내에서 밀도가 가장 높은 행성인 지구에서도 40킬로미터 두께의 지각은 지구 지름의 0.33% 정도에 불과하며, 1만1000톤은 지구의 총 질량인 5.972 ×10²⁴kg에 비하면 미미하다. 지구를 M&M 초콜릿 한 알로 비유하면, 얇은 설탕 코팅 부분이 지각에 해당한다. 그렇다면 과도한 지하수 채취는 어떤 문제를 야기할까. 지각 위에는 바다가 있고, 지각 바로 아래에는 광대한 지하 담수층이 있다. 그 아래에는 유동성 있는 암석을 포함한 맨틀이 있으며, 외피 아래의 외부 핵은 액체이다. 현재 지구의 내부 핵은 고체라는 주장이 유력하다. 최근 발표된 지하수 관련 논문에서는 특정 현상에 대한 조사가 진행되고 있다. "지하수를 얻기 위해 지하 또는 지각 내에 저장된 물을 얻으려고 구멍을 뚫으면 갑자기 지구 외부의 일부 무게가 크게 가벼워지며, 지구 전체의 균형 유지에 매우 간단한 형태로 영향을 미치게 된다"는 설명이다. 볼링 공이나 회전하는 스피너 외부에만 구멍을 뚫는다면 어떤 변화가 일어나는지 상상해보자. 볼링공은 여전히 회전은 가능하겠지만, 원래의 회전과는 달리 불규칙한 방식으로 회전할 것이다. 게다가 지구에는 대량의 물과 용해된 금속이 있으므로, 이러한 물질들이 새로운 회전 방향에 영향을 받아 추가적인 회전 특성을 나타낼 수도 있다. 지구의 기울기는 '자전축 기울기'라고도 하며, 약 4만 1000년마다 22.1도에서 24.5도 사이로 변동한다. 지구의 위도 1도당 거리는 대략 111.11킬로미터(약 69마일)이기 때문에, 80cm의 변화는 사실상 크게 중요하지 않다고 볼 수 있다. 이 논문은 지구의 기울기에 영향을 미치는 특정 요인에 집중하고 있다. 중요한 것은 이 변화가 자연적인 변동이 아닌 인간의 활동에 의한 결과라는 점이다. 인류는 약 4만 1000년 전부터 존재했지만, 그 당시 인간은 지하수를 채취하기 위해 지각을 깊게 파지 않았다. 반면, 정화된 물을 위한 우물의 역사를 살펴보면, 약 9000년 전 신석기 시대의 시리아 텔 사비 아비아드(Tell Seker al-Aheimar) 유적에서 발견된 것이 가장 오래된 것으로 기록되어 있다. 과도한 지하수 채취 문제는? 미국 지질 조사국(USGS)에 따르면 지표면 아래의 수층은 세계의 강과 호수의 수백 배 이상의 물량을 포함하고 있다. 여기서수층은 지하수를 저장하는 암석과 퇴적층을 의미한다. 이 지하수는 지구의 다양한 지역(사막 포함)에서 볼 수 있지만, 접근이 어렵거나 정화 처리가 필요한 경우가 많다. 지하수는 지표면 근처에 위치하며, 단지 몇 시간 정도만 축적되었을 수도 있고, 지하의 매우 깊은 곳에서 몇 천 년 동안 존재했을 수도 있다. 미국 과학·공학·의학 아카데미와 애리조나 주립 대학교의 '과학과 기술의 이슈(Issues in Science and Technology)' 간행물에 따르면, 호수와 강의 담수 부족 때문에 인간은 지하수를 채취하기 시작했다. 이러한 지하수는 음용, 관개, 그리고 광물 채굴 등 여러 목적으로 사용되고 있다. 그렇지만 지하수의 과도한 채취는 자연 환경과 습지에 큰 피해를 준다. 이는 땅이 건조해지는 것뿐만 아니라 토양의 붕괴, 야생동물과 물고기, 나무에 대한 부정적 영향, 그리고 일부 종의 멸종 위험을 가져온다. 더욱이, 최근의 연구에서는 지하수 채취가 지구의 기울기에도 영향을 주고 있음이 밝혀졌다. 지구 기울기가 변한 다른 요인 지구는 완벽한 균형을 가진 공이나 볼링 공처럼 완벽하게 균형 잡힌 상태를 유지할 필요가 없다. 사실, 과학자들은 '테이아(Theia)'라는 천체가 원시 지구와의 충돌로 인해 지구가 기울게 되어 자전하게 되었다는 가설을 제기하고 있다. 이 충돌에 의해 원시 지구에서 분리된 부분이 달이 되었다고 추측하고 있다. 당시 충돌로 인해 원시 지구의 한 쪽에는 커다란 스위스 치즈 같은 크레이터가 생겨나, 그 결과 회전 축이 변화했다고 본다. 그 이후로 지구의 자전축이 다시 원래대로 돌아온 적은 없다. 지구와 같은 행성은 자전으로 인해 시간이 지남에 따라 점차적으로 거의 완벽한 구형에 가까운 형태로 변화한다. 이 개념은 '정적압력 균형'이라고 불린다. 사실, 거의 완벽한 구형에 가까운 형태는 행성이나 천체의 기본적인 특성 중 하나이다. 이를 고려하면 '테이아'라는 천체의 충돌 이전의 울퉁불퉁한 지구는 자전 활동이 회복되기 전까지 '행성'으로 간주되지 않았을 수도 있다. 지구의 자전축 기울기는 지구의 구 형태를 유지하는 데 영향을 미치지 않는다고 여겨진다. 지구의 정적압력 균형은 이러한 기울기와 상관없이 각 행성의 자전 현상에 의해 결정되기 때문이다. 미국 항공우주국(NASA)은 2018년 "20세기에 지구의 기울기 변화를 초래한 3가지 주요 원인을 확인했다"고 보고했다. 나사에서 파악한 원인은 '그린란드의 얼음 해빙', 빙하의 이동 또는 해빙으로 인해 얼음의 무게가 사라져 지각이 서서히 상승하는 '빙하성 반동', 그리고 '맨틀 대류'이다. 맨틀 대류는 지각 아래에 있는 유동성 있는 암석 성분이 가열되어 상층으로 이동하고 표면 근처에서 냉각되어 밀어내는 운동이다. 온도가 다른 암석의 밀도가 서로 다르기 때문에 중심을 뒤흔드는 것. 한편, 과학자들은 지구의 기울기가 많은 다른 요인에 의해 변동된다는 사실을 알고 있지만, 이러한 요인을 동시에 연구하는 단계는 아직 확립되지 않았다고 말했다. 2020년 논문에서 과학자들은 "지구는 내부에서부터 외부로 이르기까지 다양한 시간 스케일에서 연속적인 변화가 진행 중이기 때문에 이러한 동적 매개변수는 모두 안정된 값을 갖지 않으며 시간이 지남에 따라 변화한다"고 지적했다. 또한 "이러한 변동은 상대적으로 작기 때문에 최근까지 관측하기 어려웠다"면서 "앞으로 몇 년 안에 지구의 기울기 변화가 특정 요인에 의해 크게 변할 것이라는 뉴스를 자주 접할 가능성은 낮을 것으로 생각된다"고 밝혔다.
- 산업
2023-09-26
스위스 연구지원회사(BTRY), 전고체 배터리 시장 진출

스위스 연방재료 과학기술연구소(EMPA)가 혁신적인 배터리 기술로 전고체 배터리 시장에 진출한다. 금속산업 및 광업 전문 매체인 '마이닝(MINING)'에 따르면, EMPA는 전고체 배터리 시장 진입을 목표로 새 회사 'BTRY'를 설립할 예정이다. 이 매체에 따르면, '전고체 배터리(solid state battery)'는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 1분 이내의 빠른 충전과 방전이 가능하고 수명이 10배 이상 지속된다. 게다가 온도 변화에도 안정적인 성능을 보인다. 또한 전고체 배터리는 인화성이 없어 안전하다. 기존의 리튬 이온 셀은 부주의하게 취급하거나 손상될 경우 유독한 가스가 방출되거나, 진화가 어려운 위력적인 화재가 발생하기도 했다. 전고체 배터리의 한 예로 박막 배터리(Thin Film battery)가 있다. 이는 반도체 공정기술인 진공증착 방식을 사용해 얇은 기판 위에 양극재, 고체 전해질, 음극재를 순차적으로 적층하여 제작하는 2차 전지를 지칭한다. 고비용으로 대량 생산 난항 박막 배터리는 두께가 단지 0.15mm로, 종이처럼 휘어지는 특성을 가지고 있다. 기존 전지에 비해 고온에서의 안정성이 우수하며, 수명도 매우 길다. 그러나 단위 부피당 충전 용량은 리튬 이온 배터리보다 낮고, 제조 비용은 3배 이상 더 비싸기 때문에 대량 생산에 어려움이 있다. 마이닝에 따르면 BTRY의 책임 연구원인 압데살렘 아리비아(Abdessalem Aribia)와 모리츠 푸셔(Moritz Futscher)가 개발한 이 새로운 배터리는 에너지 저장 용량을 늘리는데 성공했다. 푸셔 연구원은 "박막 배터리 제조 시 사용되는 박막셀의 생산 방법은 현재 반도체 칩과 유리 코팅 제작 기술을 활용하므로, 새로 개발한 박막 배터리의 제조에 큰 어려움이 없을 것"이라고 설명했다. 박막 배터리 저장 용량 향상 박막 배터리는 고정밀 제조 방식을 사용을 하는데 독성 용매가 필요하지 않은 환경 친화적인 장점을 가지고 있으나 아직까지 대량 생산 하기엔 원가 대비 효율성이 낮은 부분이 있다. 이에 아리비아 연구원은 "스마트폰이나 스마트워치처럼 배터리 전체를 구동하는 것이 아니라 일부만을 담당하는 제품에 적합하다"고 밝혔다. BTRY사의 연구원들은 박막 배터리의 에너지 저장 용량 향상을 기반으로 원가 대비 효율성을 개선해 대량 상용화를 목표로 연구에 더욱 매진할 계획이다.
- 산업
2023-09-12