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노벨상위원회 "화학상 수상자들, 전에 없던 신개념 배터리 만든 게 업적"

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노벨상위원회 "화학상 수상자들, 전에 없던 신개념 배터리 만든 게 업적"

2019.10.09 21:20
스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 9일(현지시간) 올해 노벨화학상 수상자로 존 구디너프 미국 텍사스대 교수, 스탠리 위팅엄 미국 빙햄튼대 교수, 요시노 아키라 일본 메이조대 교수 겸 아사히카세이(旭化成) 명예 펠로를 선정했다고 발표했다. 유투브 캡쳐
스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 9일(현지시간) 올해 노벨화학상 수상자로 존 구디너프 미국 텍사스대 교수, 스탠리 위팅엄 미국 빙햄튼대 교수, 요시노 아키라 일본 메이조대 교수 겸 아사히카세이(旭化成) 명예 펠로를 선정했다고 발표했다. 유투브 캡쳐

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 9일(현지시간) 올해 노벨화학상 수상자로 존 구디너프 미국 텍사스대 교수, 스탠리 위팅엄 미국 빙엄턴대 교수, 요시노 아키라 일본 메이조대 교수 겸 아사히가세이(旭化成) 명예 연구원를 선정했다고 발표했다. 수상자 발표 직후 이들의 업적과 선정사유를 설명했다. 

 

다음은 노벨위원회 관계자의 설명.


존 구디너프는 1922년 독일에서 태어났다. 미국 시카고대에서 박사학위를 취득하고 현재 미국 오스틴 텍사스대에서 교수로 일하고 있다. 구디너프는 이제껏 가장 나이가 많은 노벨상 수상자다. 얼마전까지는 지난해 노벨 물리학상을 탄 아서 애슈킨이 가장 나이가 많은 수상자였다. 스탠리 위험은 1941에 영국 노팅험에서 태어났다. 박사학위를 영국 옥스퍼드대에서 취득하고 현재는 미국 빙엄턴대에서 교수로 재직 중이다. 요시노 아키라는 1948년에서 태어났다. 일본 메이조대에서 교수로 재직 중이며 일본 도쿄의 아사히가세이 명예 펠로이기도 하다. 


올해 노벨 화학상은 리튬이온 배터리의 발전을 이끈 사람들이다. 우리는 그 기술적인 진보를 경험하고 있다. 리튬이온 배터리는 많은 적용 가능성을 가지고 있다. 휴대전화, 인공펄스자극장치뿐 아니라 재생가능한 태양, 풍력 에너지를 저장할 수 있게 한다. 이런 것들이 가능해진데에는 이온들이 움직이며 충전되고 방전되는 수천번의 과정을 견딜 수 있는 배터리가 되어야 하는 등의 많은 화학적 문제들이 있었다. 


배터리가 작동하려면 양극과 음극 사이에서 전자가 운동을 해야 한다. 더블A 배터리를 생각해보자. 두 전극은 물로 된 전해질로 나눠져 있다. 어떤 경우는 물리적으로 나눠져 있는 경우도 있다. 두 전극 사이에서는 화학적 반응이 일어난다. 여기서 나온 전자는 회로로 넘어가며 전기를 공급한다. 쉽게 들리지만 이걸 디자인하고 발전시키고 실제로 잘 작동하게 하는 것은 힘들다. 여전히 쓰이고 있는 알칼라인 배터리를 70년 동안 쓰고 있을 정도로 새 배터리를 만들어내긴 어렵다.  


세 과학자들이 이룬 업적은 아예 새로운 배터리를 만들어냈다는 점이다. 리튬은 매우 작은 원소이다. 그렇기에 많은 원소를 배터리에 넣을 수 있다. 리튬은 한 방향으로 전자를 보내는 경향을 가지고 있다. 리튬은 세개의 전자가 있고 하나를 보내기 쉽다. 리튬 이온을 쉽게 충전시킨다.


매우 놀라운 원소이긴 하지만 매우 반응성이 하다는 것이다. 물에 반응을 많이 한다. 이런 반응성을 낮춰야 한다. 이 부분이 세 명의 과학자들이 한 것이다. 1970년으로 돌아가 스탠리 위팅엄은 리튬 이온을 저장할 수 있는 매우 뛰어난 물질을 찾는 성과를 냈다. 그 물질은 바로 이황화타이타늄으로 이 물질은 층으로 구성되어 있다. 이 층 사이에는 일종의 갭이 있고 리튬이온이 들어갔다 나왔다 할 수 있다. 이황화타이타늄을 이용하면 2V 전위차를 가진 전기를 생산할 수 있다. 이미 이정도만 되어도 배터리의 관점에서 보면 좋은 배터리다.


그러나 리튬 메탈은 배터리로 쓰기엔 최적화가 되지 않았다. 그래서 리튬을 다른 걸로 바꾸면 어떨까 생각을 했다. 그런데 여기서 생기는 두 가지 문제가 있다. 하나는 실제로 뭘로 바꿀지를 알 수 없는 거였고 리튬 배터리가 가진 2v 전위차의 잠재성을 버리게 되는 거였다. 


1980년대 구디너프가 새로운 물질을 발견해 이 문제를 해결했다. 그는 산화코발트를 이황화타이타늄 대신 리튬이 자유롭게 왔다갔다 다닐 수 있는 층으로 사용했다. 산화물은 산소원소를 가지고 있어 전위차를 4V까지 끌어올릴 수 있었다. 이건 배터리 세계에서는 엄청난 발전이라고 할 수 있다. 하지만 여전히 리튬 메탈을 가지고 있었다. 


어떻게 바꿀까를 해결한 게 요시노 아키라 교수다. 1980년대에 그는 석유의 찌꺼기를 격렬하게 열분해시켜서 만든 석유코크스를 산화코발트나 이황화타이나늄 대신 썼다. 석유코크스도 리튬 이온이 자유롭게 왔다갔다 할 수 있는 층을 가지고 있다. 구디너프의 연구를 기초로 해 배터리의 음극재로 석유 코크스를 사용했고 구디너프가 제시한 4V 전위차를 유지한 배터리를 만들었다. 그리고 아키라가 당시 만든 배터리가 현재 쓰고 있는 리튬 이온 배터리의 구조이다. 매우 안전해졌으며 여러번 충방전이 가능하다. 


이 발견은 리튬 이온배터리라는 발명품을 만들어냈고 리튬 이온 배터리는 쓰이지 않는 곳이 없다. 작은 휴대전화에서부터 큰 전기자동차까지 쓰이지 않고 있는 물품이 없다. 일상에서 매일 사용하고 있다. 이런 점에서 세 명의 과학자들의 연구가 인류에게 공헌을 했다는 점은 틀림이 없다.
 

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