나무로 배터리 만들었다…"100회 충·방전에도 성능 그대로"

독일 연구진, 리그닌 활용 나트륨 이온 배터리 개발

독일 프라운호퍼 IKTS 연구소 연구진이 나무에서 발견되는 천연 고분자 물질 ‘리그닌(lignin)’을 핵심 전극 소재로 활용한 새로운 유형의 나트륨이온 배터리를 개발했다고 과학매체 뉴아틀라스가 22일(현지시간) 보도했다.

리그닌은 나무의 주요 구성 물질인 셀룰로오스 섬유를 결합해 강도를 높이는 역할을 하는 천연 고분자로, 목재 구조를 지탱하는 일종의 접착제 성격을 가진다. 하지만 제지 산업에서는 상대적으로 가치가 낮아 대부분 에너지 생산을 위해 소각되는 경우가 많았다.

독일 연구진이 목재를 활용한 나트륨 이온 배터리를 개발했다. (사진=프라운호퍼 IKTS)

연구진은 이처럼 폐기되던 리그닌을 안전하고 비용 효율적인 배터리 소재로 활용할 가능성을 확인했다고 밝혔다.

목재 기반 재료를 배터리에 적용하려는 시도는 이전에도 있었지만, 이번 연구는 상용화 가능성을 향한 의미 있는 진전을 보여준 것으로 평가된다. 리그닌을 매우 높은 온도로 가열하면 ‘경질 탄소(hard carbon)’로 변환되는데, 이 물질은 배터리의 음극 또는 양극 전극 소재로 활용될 수 있다.

리그닌 기반 배터리의 강점으로는 무엇보다 풍부한 공급량이 꼽힌다. 리그닌은 전 세계 다양한 지역에서 비교적 쉽게 확보할 수 있으며, 실제 이번 연구에 사용된 리그닌 역시 IKTS 연구소에서 멀지 않은 독일 중부 튀링겐 숲에서 채취됐다. 비용 측면에서도 채굴과 물류 부담이 큰 리튬, 코발트, 니켈 등 핵심 금속 대비 경쟁력이 높다는 설명이다.

리그닌에서 얻은 경질 탄소는 배터리 전극의 기본 재료를 이룬다. (사진=프라운호퍼 IKTS)

프라운호퍼 IKTS 연구원 루카스 메덴바흐는 “저희는 배터리 생산 과정에서 핵심 금속의 사용을 최소화하고자 한다”며 “전극과 전해질에 포함되는 불소 함량을 최소화하고, 어느 수준까지 이를 제거할 수 있을지 시험하고 있다”고 말했다. 또, “이번 프로젝트의 핵심은 현지에서 확보할 수 있는 고품질 리그닌을 가공해 나트륨이온 배터리용 고성능 전극으로 만드는 데 있다”고 덧붙였다.

리그닌을 배터리 소재로 활용하면 폐기물을 소각하지 않아 탄소 배출 저감에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 리튬 기반 배터리보다 안전성이 높고 재활용이 비교적 용이하다는 점도 장점으로 제시됐다.

양극 소재로는 무독성 철(Fe) 기반 소재인 ‘프러시안 블루 유사체(Prussian Blue analogs)’가 적용된다. 프러시안 블루는 과거 잉크와 염료 등에 사용된 짙은 청색 안료로 잘 알려져 있지만, 현대 기술을 통해 결정 구조를 변형하면 배터리에서 나트륨이온을 저장하는 데 적합한 프러시안 블루 유사체로 활용할 수 있다고 연구진은 설명했다.

리그닌에서 얻은 경질 탄소는 실험 결과 나트륨이온 저장에 적합한 특성을 보였으며, 사이클 안정성도 뛰어난 것으로 나타났다. 메덴바흐는 “실험실용 전지는 100회 충·방전 사이클 이후에도 뚜렷한 성능 저하를 보이지 않았다”며 “프로젝트 종료 시점에는 1Ah급 전지에서 200회 충·방전 사이클을 입증하는 것이 목표”라고 말했다.

연구진은 아직 개발 단계이지만, 리그닌 기반 나트륨이온 배터리가 고출력이 요구되지 않는 고정형 또는 이동형 에너지 저장장치 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 최고 속도 시속 45㎞ 수준인 소형 차량이나 지게차 등 물류창고 차량처럼 급속 충전의 필요성이 상대적으로 낮은 환경에서 특히 적합할 수 있다는 전망이다.