설탕 소재의 ‘그래핀 배터리’, 리튬 코발트 배터리의 대안 될까?

2019-01-09 13:28:39 손승빈 기자
▲설탕과 니켈을 사용해 그래핀 배터리를 생산하는 새로운 방법이 개발됐다(출처=123RF)

코발트는 자성이 있으며 마모 내성 고강도의 합금이나 배터리, 촉매제 및 염료를 생산하는 데 사용된다. 세계적으로 공급되는 코발트 중 최소 50%는 콩고민주공화국에서 수출되는 것이다. 콩고의 광산 상태는 이상적이지 않기 때문에 리튬 이온 배터리의 가격은 매우 높아졌고 대안을 찾고 있는 상황이다. 그 대안 중 하나가 바로 그래핀 배터리다. 그래핀은 설탕과 니켈을 사용해 제작한 것으로 비용이 저렴하고 친환경적인 특징이 있다.

콩고민주공화국

콩고민주공화국은 이전에는 자이르로 알려진 중앙아프리카 국가다. 콩고민주공화국(DR 콩고)과 DR 콩고 서쪽에 위치한 콩고공화국은 별개의 나라다. 콩고민주공화국은 아프리카에서 두 번째로 크며 사하라남부 지역에서는 가장 큰 국가로 인구는 최소 7,800만 명에 달한다. 공식적으로 프랑스어를 사용한다.

콩고민주공화국은 세계적인 최빈국 중 하나이기도 하다. 이는 최근 발생한 두 건의 전쟁과 지속적인 국내 분쟁 때문인데, 이로 인해 2018년 기준, 약 60만 명이 자국을 떠나고 있다. 전쟁으로 450만 명이 쫓겨나듯 나라를 떠났고 200만 명의 어린이가 기아 상태에 놓여있다.

이 나라는 천연자원이 풍부하지만 전쟁과 기반시설의 부족, 부패 등으로 이러한 자원을 다양하게 활용할 기회가 거의 없다. 콩고민주공화국의 주요 수출품은 미네랄로 2012년 기준 수출량의 절반 이상이 중국으로 향했다. 그리고 세계 코발트 보유량의 33~80%가량이 콩고민주공화국에 매장되어 있는 것으로 추산되고 있다.

▲콩고민주공화국은 아프리카에서 두 번째로 큰 국가이며 최빈국가이기도 하다(출처=123RF)

DR 콩고의 코발트 채굴

2012년 미국 지질조사에 따르면, 코발트 최대 생산 국가는 ▲DR 콩고(50%) ▲중국(7%) ▲캐나다(6%) ▲러시아 연방(6%) 및 호주(6%) 순이다. 앞서 언급한 것처럼, 코발트는 자성 및 마모 내성이 있는 고강도의 합금과 배터리, 촉매제 및 염료 등을 생산하는 데 필요하다. 방위 산업 및 하이테크 산업에서 특히 중요하며 스마트 기기 및 전자 차량의 전원을 공급하는 이온 배터리의 필수 요소이기도 하다.

코발트 채굴을 위한 조건은 DR 콩고의 상황과 맞지 않다. 유니세프는 남부 DR 콩고에서 약 4만 명의 어린이가 광산에서 일을 하고 있다고 추산했다. 애플, 폭스바겐 및 여러 글로벌 제조업체들은 배터리 공급망의 일부인 광산에서 어린이 노동력을 착취하고 있지 않다고 주장하지만 최근 월스트리트 저널에서는 이 주장이 거짓이라고 보도했다.

DR 콩고는 1908~1960년까지 벨기에의 지배 아래에 있었으며, 당시에는 ‘벨기에령 콩고’라고 알려졌다. 한편, 벨기에 루벤대학은 최근 DR 콩고에서 일하는 광부들의 건강 상태를 조사했다.

이번 사례 연구는 콩고 광산 지역의 핵심인 콜웨지에서 실행했다. 코발트가 일반 주택 아래에서도 채굴되자 수작업 갱도도 연구에 포함시켰다. 지금도 주택가가 광산 주변을 둘러싸고 있다. 한편, 프리랜서 콩고 광부들이 안전모나 신발, 안전 장비를 착용하지 않고 광산에서 일하고 있다. 따라서 광산에서 나오는 먼지가 주요한 건강 문제가 되고 있다.

연구팀은 광산 인근에 사는 어린이 32명을 포함해 72명 거주민의 혈액 및 소변 샘플을 채취했다. 그리고 인근 지역에서 유사한 크기의 대조군을 모집했다. 연구 결과, 광산 지구에 거주하는 어린이들의 소변에서 인근에 살고 있는 어린이에 비해 10배 이상의 코발트 성분이 검출됐다. 그러나 그로 인한 장기적인 결과는 명백하게 확인되지 않았다.

설탕과 니켈로 생산한 그래핀 배터리

▲그래핀 배터리는 리튬 배터리의 대안으로 사용할 수 있다(출처=123RF)

코발트가 하이테크 산업에서 사용되는 충전 가능 배터리에 중요한 요소이지만, 개발 단계 중인 대안이 있다. 그래핀 배터리는 고성능 충전기인 수퍼커패시터(supercapacitor)처럼 리튬 배터리와는 다른 방식으로 작동한다.

수퍼커패시터의 장점은 마모되지 않으며 리튬 배터리보다 훨씬 빠르게 충전이 가능하고 희소한 금속 자원에 의존하지 않는다는 것이다. 단점은 많은 양의 전력을 유지할 수 없으며 리튬 코발트 배터리보다 유지 기간이 길지 않다.

그러나 미국 라이스대학과 중국 톈진대학의 공동 연구팀이 설탕과 니켈을 사용해 저렴하게 그래핀을 제작하는 새로운 방식을 개발했다. 2017년 미국 지질 조사에 따르면, 세계적인 니켈 최대 생산국은 ▲필리핀(22%) ▲러시아 연방(11%) ▲캐나다(11%) ▲호주(9%) ▲뉴칼레도니아(9%) 순이다. 한편, UN 식량농업기구(FAO)는 세계 최다 설탕 생산국으로 ▲브라질(41%) ▲인도(18%) ▲중국(6%) ▲태국(5%)이라고 발표했다.

그래핀은 육방 격자 구조로 배열된 생물학적 유도 탄소원자의 단일 층으로 구성된 반금속이다. 테스트를 통해 가장 물질로 입증됐으며 열과 전기를 효율적으로 전도하고 거의 투명하며 자성을 띠고 있다. 최근까지 과학자와 엔지니어들은 이 그래핀을 대량 생산하는 방법에 몰두하고 있었다.

새로운 방법은 실온에서 3D 레이저 프린팅을 사용하는 비교적 간단한 방법이다. 이 방법은 설탕과 니켈이라는 두 가지 쉽게 이용 가능한 자원으로 그래핀 배터리 친환경 생산의 문을 열었다.

[리서치페이퍼=손승빈 기자]

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