리튬과 슈퍼커패시터가 우리의 어려움을 해결할 수 있을까요?

　　배터리는 궁극적으로 화석연료에 대한 우리의 의존을 종식시킬 수 있지만, 동시에 잠재적인 환경 비용도 수반합니다. 우리의 다음 과제는 배터리와 그 안에 저장된 에너지 모두를 동일하게 청정하게 만드는 방법을 찾는 것입니다.

　　녹색의 큰 딜레마

　　우리는 보다 청정한 전력으로의 전환을 가속화하고 있으며, 현재는 정말로 흥미로운 일들이 많습니다. 하지만 우리가 진정으로 전력 기반의 미래로의 도약을 이루려면 반드시 극복해야 할 중요한 장애물이 하나 있습니다: 바로 진정으로 청정한 배터리가 필요하다는 점입니다. 에너지 저장 기술이 비약적으로 발전하고 있지만, 배터리가 환경에 미치는 부정적 영향을 줄이기 위해서는 아직 갈 길이 멀다는 것이 현실입니다. 그럼에도 불구하고, 혁신적인 기업들은 이미 이 중요한 문제를 해결하기 위한 조치를 취하고 있습니다…

　　리튬이 우리가 찾고 있는 것인가요?

　　리튬 배터리는 현재 전기자동차, 휴대전화, 태블릿 및 노트북 제조업체들의 최우선 에너지 저장 솔루션으로 자리매김하고 있습니다. 그 이유는 명백합니다: 리튬 배터리는 충전 효율이 높고 취급이 용이하며, 알칼리 전지에 비해 에너지 밀도가 훨씬 높습니다. 투자자들은 이를 ‘백금’이라고 부르며, 배터리 제조사들이 이 은백색 알칼리 금속을 확보하려고 노력한 결과 2016년부터 2018년 사이에 리튬 수요가 두 배로 증가했습니다. 지구상에 총 4,300만 톤(3,900만 미터톤)의 리튬이 존재하지만, 이 중 약 3분의 1만이 개발 가능한 상태이며, 그중 87%는 염수 속에서 발견되며 대부분은 남아메리카의 이른바 ‘리튬 삼각지대’에 위치해 있습니다.

　　리튬의 생산 과정, 더 구체적으로는 탄산리튬의 생산 과정은 소금 사막에 구멍을 뚫고, 소금과 미네랄이 풍부한 염수를 지표로 퍼올리는 것으로 시작됩니다. 이렇게 얻은 염수는 증발되어 생성된 염류를 여과한 뒤, 그 과정을 통해 탄산리튬을 추출할 수 있습니다. 이는 매우 간단한 공정이지만, 막대한 양의 물을 필요로 하며 18개월에서 24개월에 걸쳐 진행됩니다.

　　아우디는 전기차용 리튬이온 배터리로 구동되는 공장 차량을 시험하고 있습니다. 배터리를 재활용한 후에도, 이들 배터리는 합리적이고 지속 가능한 방식으로 계속 사용될 수 있습니다.

　　아우디는 리튬이온 배터리의 생산을 보다 빠르고 친환경적으로 만들고자 하는 기업 중 하나입니다. 예를 들어, 배터리의 수명이 다한 후에도 유가 가치가 높은 요소들을 추출해 새로운 제품에 재사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 리튬이온 배터리 전체를 제2차 활용하여 운송 및 산업 현장 차량에 동력을 공급하는 것도 가능합니다. 이러한 점을 감안하여, 폐배터리의 회수와 재활용은 아우디의 주요 중점 과제로 자리매김했습니다.

　　이들 배터리의 에너지 밀도 역시 여전히 향상될 여지가 있으며, 이는 배터리의 부피를 줄이고 실제 필요한 리튬의 양을 감소시키는 동시에 코발트와 같은 희귀 금속 및 고가 부품의 사용도 줄이는 데 기여합니다.

　　일본 원자력기구 롯카쇼 핵융합연구소의 호시노 츠요시는 최근 ‘디스알리케이션’ 저널에 해수에서 리튬을 회수하기 위해 투석을 활용하는 또 다른 아이디어를 제시했다. 이 시스템은 리튬 이온만 통과할 수 있는 특수 막을 사용한다. 아직 상용화 단계에는 이르지 않았지만, 호시노는 자신의 투석 기술이 “우수한 에너지 효율과 높은 확장성을 보여준다”고 말했다.

　　그래핀 슈퍼커패시터는 정말로 ‘슈퍼’한가요?

　　리튬 생산이 지속적으로 개선되는 가운데, 전문가들은 그래핀 슈퍼커패시터와 같은 대체 제품을 적극적으로 권장하고 있습니다. 비록 이들 제품이 마치 우주선에 탑재될 것처럼 들릴지라도, 지구의 에너지 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것입니다. 슈퍼커패시터는 전기를 화학적 전위로 저장하는 알칼리 배터리나 리튬 배터리와 달리, 중성 전기장 내에 전기를 저장하며, 이는 마치 정전기가 풍선 표면에 집합하는 방식과 유사합니다.

　　‘신비의 소재’인 그래핀을 추가하여 초고성능 슈퍼커패시터를 개발했으며, 이는 강력하면서도 경량이라는 장점을 지닙니다. 아직은 시기상조이지만, 2022년까지 그래핀 배터리 시장 규모는 1억 1,500만 달러에 달할 것으로 전망되며, 중국과 스페인 기업들은 슈퍼커패시터를 활용해 노트북부터 전동 오토바이에 이르는 다양한 제품에 전력을 공급하고 있습니다.

　　하지만 이 모든 것에는 큰 문제가 하나 있습니다. 슈퍼커패시터는—심지어 그래핀을 사용하더라도—오랫동안 전력을 저장해 두기 어렵습니다. 휴대폰 배터리가 갑자기 급격히 줄어들면 얼마나 답답한지 상상해 보세요. 그리고 만약 충전소에서 몇 마일이나 떨어진 차 안에 있다면, 그 곤란함은 또 얼마나 심할까요!

　　오늘날 아우디의 전자 가속기는 이미 브뤼셀에 위치한 탄소 중립 공장에서 생산되고 있습니다. 우리는 깨끗한 전기를 역시 깨끗한 배터리에 저장할 수 있을까요?

　　실용적이면서도 친환경적인 배터리란 마치 성배와도 같은 존재로 여겨져 왔지만, 네덜란드 델프트의 아쿠아벨스(AquaBells) 소속 혁신가들은 이미 이를 찾아냈다고 믿고 있습니다. 이 ‘블루 배터리’는 에너지를 저장하는데, 바로 여러분도 짐작하셨겠지만 물을 이용해 네덜란드에서 생산되는 모든 친환경 전력을 100% 지속 가능한 방식으로 저장할 수 있습니다. 그렇다면 과연 어떻게 작동하는 걸까요?

　　염수에 전류를 흐르게 하여 이를 농축된 염수와 담수로 분리하는—전기투석이라고 불리는 과정—동시에 에너지를 저장한다. 제2 배출 단계에서는 이 과정이 역전되어 두 종류의 물이 결합하면서 수집된 에너지가 방출되며, 이후 특수한 막 스택을 통해 수집된 에너지가 전류로 변환된다.

　　이는 간단하고 안전한 기술로, 필요할 때 사용할 수 있도록 막대한 양의 전기를 저장할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다—예를 들어, 한 도시의 전력망이 수요를 충족하기에 항상 충분한 에너지를 확보하도록 보장하는 식입니다. 현재 델프트에서 진행 중인 규모는 비교적 작지만, 수중 배터리 프로젝트의 책임자 데이비드 베르마스는 매우 큰 계획을 갖고 있습니다. 그는 네덜란드의 수로와 같이 염수와 담수가 만나는 지역을 중심으로 자신의 ‘블루 배터리’를 확대·보급하고자 합니다. 이 분야의 에너지 잠재력은 매우 큽니다.

　　리튬이온 배터리는 현재 에너지 저장 분야에서 가장 실용적인 솔루션을 제공하고 있으며, 앞으로도 차세대 전기자동차의 동력원으로서 핵심 구성 요소로 자리매김할 것입니다. 그러나 향후 약 10년 내에는 청색 배터리로 구동되는 전력망에서 재충전하는 상황을 마주하게 될지도 모릅니다. 지속적인 기술 개선과 발전이 이루어진다면, 이러한 배터리들은 진정한 대안으로서 우리의 재생에너지와의 관계를 근본적으로 변화시킬 것으로 기대됩니다. 발전, 에너지 저장, 그리고 전기자동차의 동력 공급에 이르기까지, 사람들은 언젠가 에너지 활용의 모든 단계가 100% 친환경으로 이루어질 수 있기를 바라고 있습니다.

　　원문 링크: https://www.xianjichina.com/special/detail_453292.html

　　출처: 현집망

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