20세기 중후반부터 온실 가스의 대기 농도가 증가하고 있으며 이로 인한 지속적인 온난화로 이제 매일 매일의 날씨에서 기후 변화를 체감할 수 있습니다. 그러나 화석 연료에 대한 의존도가 높은 세계 최대 경제국들은 계속 엄청난 양의 CO2를 배출하고 있습니다(그림 1).
친환경 에너지원을 찾기 위한 지속적인 노력 속에서 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지에 대한 연구의 중요성과 대중의 관심이 커지고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지 산업은 향후 10년 내에 각각 약 1,170억 달러와 2,600억 달러 규모에 도달할 것으로 예상됩니다.
리튬 이온 배터리의 주요 인기 요인 중 하나는 무엇보다 전기 자동차 산업과 가전 산업에서의 폭발적인 사용 증가이며 H2는 에너지원과 저장 매체로써 교통, 건물의 에너지 공급원, 가역 시스템 그리드의 장기 에너지 저장 용도로 이용되고 있습니다. 두 기술 모두 전기 공급장치의 탄소 제거에 있어 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
CAS Content Collection™을 활용한 분석 결과, 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지에 대한 지난 10년 간의 연구 중 상당수가 이들 기술 사용에 있어 현 과제와 장애물 해결에 집중되어 있었으며 이 글에서도 그 일부를 다루게 됩니다. 이러한 기술이 에너지 사용 방식을 바꾸고 친환경 미래로의 발전을 가능하게 해준다는 점이 바로 이 연구의 중요성입니다.
리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지 중에서 미래가 더 유망한 기술은 무엇일까요?
표면적으로는 교통 산업에서 수소 연료 전지가 더 많은 가능성을 갖고 있다고 쉽게 주장할 수 있을 것입니다. 교통 분야는 두 기술 모두 활용도가 높지만 우수한 에너지 저장 밀도, 가벼운 무게, 적은 공간 요구 활용도 측면에서 리튬 이온 배터리보다 수소 연료 전지가 더 매력적입니다. 수소 자동차는 또한 리튬 이온 배터리 차량보다 충전 속도가 더 빠릅니다. 그러나 수소 연료 전지에도 단점이 없는 것은 아닙니다. 저장된 H2 에너지의 약 60%까지 H2로부터 에너지를 모으는 과정에서 손실되며 이는 리튬 이온 배터리와 비교할 때 약 3배에 달하는 많은 에너지가 손실되는 것입니다.
명백한 사실은 두 기술 모두 다양한 용도로 활용할 수 있어 직접적인 비교는 쉽지 않다는 점입니다. 또한 이 관점에는 현재 진행 중인 연구와 기술의 다양한 이점과 비용은 배제되어 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션 검색을 통해 오늘날 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지의 사용 현황을 보다 세부적으로 파악하고 미래를 예측할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 사용을 위한 과제
리튬 이온 배터리의 제조와 폐기는 항상 정치, 환경적인 관심사를 불러일으키는 주제였으며 리튬 이온 및 기타 주요 자원의 재생 불가능 에너지원과 상당한 관련 오염이 주요 관건이었습니다.
전기 자동차의 폭발적인 증가와 배터리 크기의 대형화, 여기에 스마트폰 및 기타 가전 제품에서 사용되는 리튬 이온 배터리의 짧은 수명, 에너지 낭비, 재생 불가능 자원에 대한 의존도 또한 점점 더 심각해지고 있습니다. 2040년에는 전세계 판매 차량의 58%가 전기 자동차로 대체될 것이며 총 폐기물량은 최대 8백만 톤에 이를 것으로 예상되고 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리에 대한 최근 연구는 오염을 줄이고 광물 자원에 대한 압박을 완화시키는 것을 목표로 하는 배터리 재활용 방법에 집중되어 있습니다.
배터리 재료의 금전적 가치 변화, 배터리 설계 및 재료에 있어 기술적 융합의 부족(및 관련 재활용 인력 비용)을 비롯하여 재활용 시설 내 많은 재활용 이점(재료 보안, 안전 및 환경 이점 포함)의 활용 부족, 세계 각국의 재활용 규제 부재로 인해 오늘날 전세계 리튬 이온 배터리의 재활용율은 약 5%에 불과합니다.
수소 연료 전지 사용을 위한 과제
수소 연료 전지는 백금 사용으로 인해 그 비용이 매우 높지만 가장 큰 과제는 H2 저장과 운반의 어려움입니다. 소비자 제품 연료로서의 H2 성공 여부는 강력한 H2 저장 물질 발굴과 안전한 최신 운반 시스템 개발이 관건입니다.
주요 연구 동향: 리튬 이온 배터리
앞서 말한 것처럼 재활용이 리튬 이온 배터리 연구의 주요 관심사인 이유는 LIB와 관련된 오염, 폐기물, 한정적인 광물 자원에 대한 당면 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다. 이 주제에 대한 연간 간행물 증가율(32%)은 그 새로운 관심도를 반영하여 전체 과학 관행물(연간 4%)을 훨씬 초과합니다(그림 2).
과거 연구량이 많지 않았던 리튬 이온 배터리 부품(보다 종합적이고 새로운 재활용 관리에 대한 관심 시사)과 분해에 대한 많은 연구 노력이 진행되고 있습니다(그림 3). 배터리 분해는 재활용 가능한 자원의 양을 극대화할 수 있다는 점에서 고무적이고 친환경적인 시도입니다. 음극 재료를 제거한 후 재생 과정을 거쳐 새로운 배터리에서 재사용하는 직접 재활용 방법 또한 많은 관심을 받고 있으며(그림 4) 다른 재활용 방법보다 에너지 비용과 시약 비용이 낮을 것으로 예상됩니다.
주요 연구 동향: 수소 연료 전지
1997년 이후 H2 연료 분야의 특허 건수가 지속적으로 증가하고 있으며 이는 이 기술에 대해 확대되고 있는 전세계적인 관심사를 반영하는 것입니다(그림 5). H2 저장 주제는 지난 10년 동안 계속 많은 관심을 받아 왔습니다(그림 6, 7). 효율적이고 안정적인 저장과 운반이 불가능하면 공급망 구축도 어려워지기 때문에 H2 경제 개발은 가스를 저장하고 운반할 수 있는 능력에 큰 영향을 받습니다.
수소 저장 다음으로는 탈수소 반응으로(그림 6), 2012년 이후 2위 자리를 지키고 있습니다. 탈수소 반응 방법을 사용하면 암모니아와 같은 액체 H2 운반체에서 H2 가스를 추출할 수 있습니다. 암모니아는 저장 및 운반 인프라가 이미 구축되어 있는 화학 물질입니다. 따라서 H2를 보다 널리 활용하기 위한 노력에 있어 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다. 운반체에서 H2를 추출하는 데 필요한 하버-보슈법과 같은 고비용 프로세스의 효율성을 높이거나 (암모니아원과 같은 경우) 더 에너지 효율이 뛰어난 대안을 찾기 위한 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.
전망
CAS 컨텐츠 컬렉션을 활용하여 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지의 가능성을 극대화하기 위한 주요 연구 동향을 파악할 수 있습니다. LIB와 수소 연료 전지는 친환경 미래를 위해 전세계 에너지 사용에 혁신을 가져다줄 수 있는 중요한 기술입니다.
관련 연구는 이 두 기술과 관련된 주요 현안을 해결하는 데 초점이 맞춰져 있습니다. 즉 리튬 이온 배터리는 재활용 관련 연구, 수소 연료 전지는 H2 저장이 주된 관심 주제입니다.
이 두 주요 기술의 경제, 정치, 환경 및 연구 동향에 대해 보다 깊은 통찰력을 얻으려면 CAS의 리튬 이온 배터리 재활용 및 수소 연료 전지 정식 보고서를 참조하십시오.
