5분만에 스마트폰 충전 끝!

리튬이온이 니오븀 산화텅스텐을 이동하는 속도가 전극에 일반적으로 사용되는 소재보다 월등히 빨라
니오븀 산화텅스텐은 스마트폰과 랩톱의 충전에 중요할 뿐 아니라 환경보호에도 도움을 줄 수 있다. / 사진:GETTY IMAGES

몇 시간 동안 스마트폰이 충전되기를 기다리자니 너무 답답하다고? 곧 옛날 얘기가 될지 모른다. 니오븀 산화텅스텐(niobium tungsten oxides)이라는 신소재를 찾아낸 과학자들 덕분이다. 배터리는 양극·음극·전해질로 이뤄진다. 배터리를 전원에 꽂으면 양극에서 리튬 이온이 나와 크리스털 구조를 통과해 음극에 저장된다.

익히 알려졌듯이 이 과정에 몇 시간이 걸릴 수 있다. 따라서 영국 케임브리지대학의 과학자들은 그 시간을 단축하는 방법의 연구에 착수했다. 그들은 니오븀 산화텅스텐에 그 열쇠가 있다고 믿는다. 이는 스마트폰과 랩톱의 충전에 중요할 뿐 아니라 환경보호에도 도움을 줄 수 있다.

지난 수년간 스크린부터 프로세서 성능까지 모든 기술이 비약적으로 발전했지만 배터리는 거의 제자리걸음을 했다. 이 문제가 주요 기술발전의 본격적인 도입을 가로막는 걸림돌로 작용한다. 태양광 전력의 격자 규모 저장과 전기차가 두 가지 친환경 응용사례라고 학술지 네이처에 발표된 논문 작성자들은 말했다. 논문의 제1 작성자이자 케임브리지대학 화학과 박사후 연구원인 켄트 그리피스는 “우리는 항상 충전시간을 훨씬 단축하면서 출력도 향상시킬 수 있는 고효율 소재를 찾는다”고 말했다.

과거 과학자들은 리튬이온의 이동거리를 좁혀 충전시간을 단축하려 했다. 나노 입자를 이용해 전극의 소재를 작게 만드는 방법이었다. 그러나 이 방법은 효과가 없었다. 그리피스 연구원은 “나노 입자를 이용해 실용적인 배터리를 만들기는 어렵다”고 말했다. “전해질과 작용해 원치 않는 화학반응이 훨씬 더 많이 일어나기 때문에 배터리가 그만큼 오래 가지 못한다. 게다가 제작비도 많이 든다.”

논문의 선임 작성자인 케임브리지대학 화학과 클레어 그레이 교수는 나노 입자는 만들기도 어렵고 기기 안에서 단단하게 달라붙도록 하기가 힘들 수 있다고 설명했다. 따라서 연구팀은 다른 접근법을 택했다. 비교적 크더라도 원래부터 알맞은 특성을 지닌 소재를 찾으려 했다. 그들은 니오븀 산화텅스텐의 입자 사이즈가 다른 전극 소재보다 크면서도 리튬이 통과할 수 있는 단단하고 개방된 구조임을 알아냈다.

연구팀은 실험을 통해 리튬이온이 니오븀 산화텅스텐을 이동하는 속도가 전극에 일반적으로 사용되는 소재보다 월등히 빠르다는 사실을 알아냈다. 산화텅스텐은 만들기도 쉽고 확장성도 높다고 연구팀은 밝혔다. 그러나 산화텅스텐을 상업적으로 활용하기까지는 아직 갈 길이 멀어 급속 충전 배터리가 당장 출시되기를 기대하기는 어려울 듯하다.

– 캐슈미라 갠더 뉴스위크 기자