
호주 플린더스 대학교 연구진이 6만 회의 충방전 사이클을 견딜 수 있고 단 3분 만에 충전되는 새로운 유형의 배터리를 개발했습니다.
호주 플린더스대학교 연구진이 6만 회의 충·방전 수명을 갖고 단 3분 만에 충전할 수 있는 새로운 배터리를 개발했습니다. 이 배터리는 기존과 완전히 다른 아연-요오드(zinc-iodine) 기술을 사용하며 수계 기반이기 때문에 불이 붙지 않는다는 특징도 있습니다. 과연 이 새로운 배터리가 차세대 아이폰이나 삼성 갤럭시에 탑재될 수 있을까요?
호주 연구진이 새로운 아연-요오드 배터리를 개발하다 
아, 배터리라니. 현재 기술 발전을 가로막는 가장 큰 병목 중 하나입니다. 과학자들은 차세대 배터리 기술을 개발하기 위해 고군분투하고 있는데, 리튬 이온 기술은 무려 1960년대까지 거슬러 올라갑니다. 최근에는 전기차 시장이 성장하면서 점점 더 많은 기업이 새로운 배터리 연구에 투자하고 있습니다.
그런데 호주 플린더스대학교 연구팀이 이 돌파구를 만들어냈을지도 모릅니다. 핵심 재료는 바로 전분입니다! - “이 시스템은 저렴하고 생분해 가능한 올리고당에서 유래한 고분자를 사용해 폴리요오드 셔틀링을 완화하는 새로운 접근법을 제시하며, 지속 가능하고 수명이 긴 수계 아연-요오드 배터리를 구현할 수 있도록 합니다.”
- 플린더스대학교 화학 교수 Zhongfan Jia
아연-요오드 배터리 자체가 새로운 기술은 아닙니다. 20년 넘게 연구되어 왔으며, 최초로 기록된 아연-요오드 배터리는 1984년으로 거슬러 올라갑니다. 하지만 플린더스대학교 연구팀은 저렴한 유기 사이클로덱스트린 기반 고분자를 호스트 물질로 사용하는 방법을 찾아냈습니다.

이는 녹말에서 추출한 당 분자입니다! 사이클로덱스트린은 식품, 화장품, 의약품을 비롯한 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는데, 전하를 가진 원자인 폴리요오드를 포획하고 방출하는 능력도 가지고 있습니다.
이 배터리, 정말 좋은 걸까? 
그렇다면 이 새로운 수계 기반 전분 배터리의 성능은 어떨까요? 우선 상당히 안전합니다. 수계 배터리는 열 폭주로 인해 자연적으로 발화하거나 불이 붙을 가능성이 없습니다. 화학적 안정성도 뛰어난 것으로 나타났습니다. 연구 결과에 따르면 205mAh/g의 용량에서는 8,000회 충·방전과 7분 완충이 가능했으며, 150mAh/g에서는 무려 6만 회의 충·방전과 단 3분 만의 초고속 충전이 가능했습니다. 그렇다면 이게 정확히 어떤 의미일까요?
- “폴리(β-CD)/KI3를 이용한 수계 아연-요오드 배터리는 205mAh/g에서 2전자 저장 또는 365mAh/g에서 4전자 저장을 달성할 수 있습니다. 폴리할라이드 음이온과 폴리(β-CD) 사이의 특이적인 포접 화학 작용을 통해 2전자 및 4전자 저장 모두에서 사이클당 0.0001~0.0003%의 용량 감소율로 6만 회 이상의 사이클 동안 작동할 수 있습니다.”
- Angewandte Chemie International Edition, 독일화학회
예를 들어 갤럭시 Z 폴드8 배터리는 1,200회의 충·방전 수명을 갖는 것으로 평가됩니다. 매일 한 번씩 충전한다면 조금 넘는 3년에 해당합니다. 반면 6만 회라면 매일 충전해도 약 164년입니다! 8,000회만 적용해도 매일 충전 기준으로 약 21년에 해당합니다.
충전 속도는 더욱 인상적입니다. Z 폴드8은 완충까지 약 1시간이 걸리지만, 이 새로운 아연-요오드 배터리는 10~20배 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 그렇다면 단점은 무엇일까요?
이 배터리가 차세대 아이폰에 들어갈까? 
안타깝지만 아직은 아닙니다. 플린더스대학교의 Zhongfan Jia 교수는 이 시스템이 기존 리튬 이온 배터리를 대체할 대규모 에너지 저장용 차세대 배터리 화학 기술의 길을 열 수 있다고 보고 있습니다.
- “충전 가능한 수계 아연-요오드 배터리는 대규모 에너지 저장 분야에서 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 실현 가능한 대안으로 자리 잡고 있으며, 우리 연구팀은 현재 이 배터리 시스템의 시제품 제작 플랫폼을 구축하기 위해 산업계와 협력하고 있습니다.”
- 플린더스대학교 Zhongfan Jia 교수
문제는 리튬 이온 배터리보다 화학적 특성이 뛰어나더라도 아연-요오드 배터리의 체적 용량이 훨씬 낮다는 것입니다. 같은 용량을 제공하려면 리튬 이온 배터리보다 훨씬 큰 배터리가 필요합니다. 때문에 초기 적용 분야 역시 스마트폰보다는 대규모 에너지 저장 시설이나 가정용 태양광 발전 저장 시스템 등을 목표로 하고 있습니다.
최신 스마트폰의 실리콘-탄소 배터리를 대체할 수 있을까? 
그렇다면 최근 몇 년 동안 적극적으로 개발되고 있는 실리콘-탄소 배터리를 이 새로운 기술이 대체할 수 있을까요? 아직은 아닙니다. 실리콘-탄소 배터리는 기존 배터리와 동일한 리튬 이온 화학 구조를 사용하면서 전극에 실리콘을 추가해 더 많은 이온을 저장하고 에너지 밀도를 높이는 방식입니다.
반면 수계 아연-요오드 배터리는 완전히 다른 화학 구조를 사용하며 작동 전압 역시 다릅니다. 아연-요오드 배터리는 1.3~1.4V 수준인 반면, 리튬 이온 배터리는 3.7V이며 실리콘-탄소 배터리 역시 동일한 전압을 사용합니다.
그래도 너무 실망할 필요는 없습니다. 이 기술이 실제로 작동한다는 것이 입증된다면, 이후에는 엔지니어들이 기술을 개선하고 소형화하는 과정이 남아 있습니다. 언젠가는 3분 만에 충전하고 수십 년 동안 사용할 수 있는 스마트폰 배터리를 만나게 될지도 모릅니다. |