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노벨상 업적에 투자하기: 세계를 움직이는 리튬이온 배터리

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노벨상 역사

노벨상은 과학계에서 가장 권위 있는 상입니다. 이 상은 알프레드 노벨 씨의 유언에 따라 물리학, 화학, 생리학·의학, 문학, 평화 분야에서 “전년도에 인류에게 가장 큰 혜택을 제공한 사람들에게” 수여하기 위해 만들어졌습니다. 여섯 번째 상은 나중에 스웨덴 중앙은행에 의해 경제학 분야에 추가되었습니다.
수상자를 결정하는 권한은 여러 스웨덴 학술 기관에 있습니다.

유산에 대한 우려

노벨상이 창설된 결정은 알프레드 노벨이 자신의 사망 기사(오류로 인해 형제의 사망 소식을 오해한 프랑스 신문의 기사)를 읽은 후에 내려졌습니다. ‘죽은 죽음의 상인’이라는 제목의 프랑스 기사에서는 노벨을 무연 폭발물, 특히 다이너마이트 발명으로 비난했습니다.
그의 발명품은 현대 전쟁을 형성하는 데 큰 영향을 미쳤으며, 노벨은 대규모 철강 공장을 매입해 주요 무기 제조업체로 전환했습니다. 그는 처음에 화학자, 엔지니어, 발명가였기 때문에 전쟁과 타인의 죽음으로 부를 축적한 사람으로 기억되고 싶지 않다는 것을 깨달았습니다.

노벨상

오늘날 노벨의 재산은 노벨 재단과 금도금된 녹색 메달, 증서, 그리고 수상자에게 수여되는 1,100만 스웨덴 크로나(약 100만 달러)의 현금 상금을 지원하기 위해 투자된 기금에 보관됩니다.

출처: Britannica

종종 노벨상 상금은 여러 수상자에게 나뉘며, 특히 과학 분야에서는 2명 또는 3명의 주요 인물이 공동으로 혹은 병행하여 획기적인 발견에 기여하는 경우가 흔합니다.

수년간 노벨상은 이론적 발견과 실용적 발견 사이의 균형을 추구하는 최고의 과학 상이 되었습니다. 현대 세계의 기반을 구축한 업적들을 시상했으며, 예를 들어 방사능, 항생제, X-레이, PCR와 같은 것들, 그리고 태양의 에너지 원천, 전자 전하, 원자 구조, 초유동성과 같은 근본 과학을 포함합니다.

모든 것을 구동하는 배터리

오늘날 전기화는 멈출 수 없는 추세처럼 보이며, 전기차에서 열펌프에 이르기까지 우리의 에너지 시스템을 장악하고 화석 연료를 대체하고 있습니다. 이러한 변화는 금속과 산을 기반으로 한 이전 설계보다 훨씬 강력한 배터리의 등장 없이는 불가능했을 것입니다.

배터리는 전기를 저장하고 다시 방출하는 일반적인 개념으로 작동합니다. 일부 배터리는 일회용이지만, 보다 유용한 배터리는 재충전이 가능합니다. 오랫동안 1800년대 중반에 발명된 납산 배터리는 저비용과 견고함 덕분에 재충전 배터리의 주류 형태였습니다.

가장 단순한 형태의 납산 배터리는 충전 시 산에서 황 이온을 납 원자에 전달하고 방전 시 이 반응을 되돌림으로써 작동합니다.

출처: PV Education

이 설계는 배터리의 지배적인 형태로 남아 있었지만, 다음과 같은 여러 문제로 제한되었습니다:

  • 무게가 무겁다
  • 부식성 물질
  • 수백에서 천 회 정도의 사이클 수로 비교적 짧은 수명
  • 시간이 지남에 따라 자체 방전
  • 제한된 에너지 저장량/에너지 밀도

이러한 제한 요인들 때문에 납산 배터리는 휘발유 자동차의 점화 플러그와 라디오와 같은 저전력 응용에 적합했지만, 전자기기나 화석 연료 대체와 같이 더 높은 요구를 가진 경우에는 이 배터리로는 동작하지 못했습니다.

이는 3명의 연구자, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, 그리고 Akira Yoshino의 공동 작업 덕분에 변화했습니다. 그들은 2019년 화학 분야 노벨상을 수상하며 리튬이온 배터리 개발에 기여했습니다.

출처: Nobel Prize

오늘날 리튬이온 배터리는 컴퓨터, 스마트폰, 보조 전원 은행을 구동하던 것에서 전기차, 전력망, 그리고 곧 항공기까지 확장되었습니다.

리튬의 독특한 전기적 특성

리튬은 1817년 스웨덴 화학자들에 의해 처음 발견되었습니다. 원자 번호 3을 가진 가장 가벼운 고체 원소이며, 핵에 3개의 양성자만 존재합니다.

출처: Medium

리튬 원자의 작은 크기로 인해 외부 전자껍질에 전자 하나만 존재하며, 이 전자가 다른 원자로 이동하면 원자당 엄청난 전위 변화를 일으킵니다.

이러한 극도의 반응성은 배터리 사용에 이상적이지만, 위험도 동반합니다. 순수 리튬 금속은 물이나 공기와 접촉하면 자체 발화할 가능성이 있습니다. 이는 금속 나트륨이나 마그네슘과 유사합니다.

대부분의 배터리는 음극과 양극을 액체 전해질로 연결하는 기본 개념을 중심으로 작동합니다.

출처: Nobel Prize

리튬의 극한 반응성 때문에 전해질은 물 기반이 될 수 없었습니다. 1960년대에 유기(탄소 기반) 분자를 사용한 여러 전해질이 설계되어 관성, 녹는점, 산화환원 안정성, 리튬 이온 및 염의 용해도, 이온/전자 전달 속도, 점도 등을 만족하도록 조합되었습니다.

출처: Nobel Prize

리튬이온 배터리 초기 설계는 금속 리튬을 음극으로, 탄산염 화합물을 전해질로 사용했습니다. 그러나 적절한 양극 물질을 찾는 것이 더 큰 도전이었습니다.

대형 석유 기업이 리튬 배터리를 만든다

놀랍게도 현대 리튬이온 배터리의 기원은 결국 내연기관 자동차를 위협하게 될 것이며, 이는 ‘대형 석유’ 엑손 연구·공학 회사에서 개발되었습니다.

1970년대에 ‘피크 오일’ 즉 석유 매장량 고갈 위협이 석유 기업들에 심각하게 받아들여졌습니다. 에너지 분야에서 지속적인 존재감을 확보하기 위해 엑손은 분야 최고의 과학자들을 고용하고, 그들에게 관대한 연구 예산과 독립적인 아이디어 추구 자유를 제공했습니다.

그 중에는 Stanley Whittingham이라는 스탠포드 대학 연구원이 있었으며, 그는 “intercalation(삽입)”을 전문으로 했습니다. 삽입은 물질 내 원자 크기의 구멍이 이온과 결합할 수 있는 현상입니다.

삽입은 리튬 이온을 틈새에 보관할 수 있는 이상적인 양극 재료가 될 수 있었습니다.

이러한 요구 사양을 충족해야 했습니다:

  • 전해질에 용해되지 않는다.
  • 전해질이 삽입되지 않는다.
  • 삽입은 가역적이어야 한다.
  • 충전·방전 시 구조 변화가 최소이어야 한다.
  • 상온·상압에서 작동 가능해야 한다.

Whittingham은 탄탈럼 이산화물 등을 고려한 후, 무게가 무거운 탄탈럼 대신 티타늄 이산화물(TiS2)을 선택했습니다.

출처: Nobel Prize

성능을 높이기 위해 TiS2 분말을 테플론과 혼합하고 강철 지지대에 부착한 뒤, 폴리프로필렌 필름과 리튬 금속으로 둘러쌌습니다.

수지상(덴드라이트) 문제

잠재적인 리튬이온 배터리는 여전히 한 문제에 시달렸습니다. 충·방전 사이클이 반복되면서 리튬에서 나무 모양의 구조인 수지상이 형성되었습니다.

출처: Nobel Prize

수지상이 배터리의 두 전극을 구분하는 절연체를 뚫고 통과하면 단락이 발생합니다. 이 문제는 상업용 리튬이온 배터리 개발을 중단시켰습니다.

수지상이 다른 전극에 도달했을 때 배터리는 단락되어 폭발 위험이 있었습니다. 소방관들은 여러 차례 화재를 진압해야 했으며, 결국 리튬 화재 진압에 사용된 특수 화학 물질 비용을 실험실에 청구하겠다고 위협했습니다.

알루미늄을 리튬 음극에 첨가함으로써 수지상을 보다 관리 가능하게 만들었고, 1976년 시계에 사용된 최초의 상업용 리튬이온 배터리가 탄생했습니다.

동시에 1970년대 스태그플레이션으로 급등했던 유가가 다시 하락했고, 새로운 석유 매장량도 발견되어 피크 오일에 대한 우려가 감소했습니다. 이는 엑손의 수익과 이익을 감소시켜 근본 연구를 축소하고 새 배터리 기술을 다른 기업에 라이선스하는 계기가 되었습니다.

더 나은 양극 재료

Stanley Whittingham이 실용적인 양극을 만든 반면, 다음 노벨상 수상자인 John Goodenough는 전기 전위를 개선해 배터리 성능을 향상시켰습니다.

Goodenough는 물리학자이자 수학자로, MIT에서 랜덤 액세스 메모리(RAM) 발명에 기여한 바 있습니다. 이후 옥스퍼드 대학으로 옮겨 에너지 시스템, 특히 배터리 연구에 몰두했습니다.

새로 발명된 리튬이온 배터리를 연구하면서 그는 금속 산화물이 Whittingham의 금속 황화물보다 더 좋을 수 있음을 깨달았습니다. 체계적인 탐색 끝에 1980년에 리튬-코발트 산화물 설계가 이전 설계보다 두 배 높은 전기 전위(4V)를 가지고 있음을 발견하고 발표했습니다.

출처: Nobel Prize

이 코발트 기반 설계는 지난 10년간 리튬이온 배터리의 주된 특징으로 남아 있었으며, 최근 코발트 없는 대체 화학이 등장하기 시작했습니다. 이는 우리 기사 “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”에서도 논의되었습니다.

리튬 연구의 새로운 터전

서구 국가에서는 1980년대 석유 가격 급락으로 대체 에너지 솔루션에 대한 수요가 감소했습니다. 그러나 일본에서는 휴대용 소형 전자제품 산업이 급성장하면서, 워크맨, 카메라, 컴퓨터, 무선 전화 등에 적합한 고에너지 밀도, 경량, 소형 전원 공급이 필요했습니다.

아키라 요시노는 아사히카세이(Asahi Kasei)에서 배터리가 핵심적인 연결 고리이며 산업에 필수적이라는 것을 일찍이 인식했습니다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도 측면에서 적합했으며, 이제 Goodenough의 코발트 기반 양극도 확보되었습니다. 그러나 리튬 금속 음극과 위험한 수지상 문제는 여전히 남아 있었습니다.

요시노는 순수 리튬을 포함한 배터리를 테스트했으며, 무거운 중량을 떨어뜨리면 강력한 폭발이 일어날 수 있음을 확인했습니다. 이는 대형 배터리가 소비자 보호법을 통과하기엔 너무 위험했으며, 공공 관계 재난이 될 수 있었습니다.

음극에서 리튬 제거

연필심처럼 순수 탄소인 흑연은 금속 리튬 음극을 대체할 잠재력이 있었으나, 흑연은 유기 전해질에 손상되고 부스러질 위험이 있었습니다.

요시노가 노벨상을 받게 된 핵심 통찰은 흑연 대신 석유 코크스를 사용하는 것이었습니다. 코크스는 석유 산업의 부산물이며, 일부 품질 등급은 리튬이온 배터리 형성에 필요한 조건에서 안정적인 것으로 입증되었습니다.

요시노는 적절한 결정성을 가진 코크스 음극이 대량의 리튬 이온을 수용하고 방출할 수 있음을 측정했습니다. 이 설계는 훨씬 안전했으며, 대형 리튬이온 배터리 상용화의 길을 열었습니다.

요시노는 이후 자신이 개발한 코크스 음극과 Goodenough의 코발트 산화물 양극을 결합한 배터리를 제작했습니다.

이 배터리는 1991년 소니와 아사히카세이에 의해 상용화되었으며, Goodenough의 발견 이후 11년, Whittingham의 최초 상용 리튬이온 배터리 이후 15년이 지난 시점이었습니다.

출처: Nobel Prize

리튬이온의 유산과 지속적 중요성

요시노의 코크스/코발트 산화물 리튬이온 배터리는 빠르게 현대 전자기기에 적용되었으며, 노트북, MP3 플레이어, 스마트폰, 휴대용 콘솔, 태블릿 등과 함께 진화했습니다.

리튬이온은 전기차(EV)의 등장으로 새로운 혁명을 맞이했습니다. 초기에는 테슬라와 BYD와 같은 중국 자동차 제조업체가 이를 촉진했습니다(기사 말미에서 BYD에 대한 자세한 내용 확인).

한 대의 전기차는 수백 대의 스마트폰이나 컴퓨터가 차지하는 배터리 용량과 동일하기 때문에, 이 시장 변화는 2015년 이전 시장을 압도하는 리튬이온 배터리 수요 폭증을 초래했습니다.

출처: Statista

전기화 혁명은 현재 한창 진행 중이며, 전통 자동차 제조업체와 소규모 스타트업이 전환에 어려움을 겪고 있더라도, 현재는 EV 기술을 선점한 공격적인 중국 자동차 업체들이 앞서 나가고 있습니다.

리튬이온 배터리는 간헐적인 재생에너지에 의존하는 전력망 안정화에도 활용되고 있습니다. 그러나 이는 우리가 논의한 “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”에서처럼 최적의 화학이 아닐 수도 있습니다.

배터리 기술의 미래

전기차에서의 폭발적인 리튬이온 배터리 수요는 동시에 배터리 내 금속에 대한 수요 폭증을 초래했습니다.

이로 인해 리튬 가격이 극심하게 변동하고, 리튬 채굴 산업은 과잉·과소 생산을 반복하고 있습니다.

코발트와 같은 다른 금속은 아동·노동 착취와 인권 침해와 연계된 대량 생산으로 인해 더욱 문제될 수 있습니다.

이러한 이유로 1996년 John Goodenough는 코발트가 없는 대안인 리튬-인산철(LFP)을 확인했습니다(‘LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries’).

LFP는 전통적인 리튬이온 배터리보다 지속 가능하고 저렴한 대안이지만 에너지 밀도가 낮습니다. 2022년까지 LFP 배터리는 전기차 배터리 시장의 31%를 차지했습니다. 또한 가정용 에너지 저장에도 널리 사용됩니다.

다른 대안으로는 나트륨이온 배터리(리튬을 완전히 대체하고 저렴한 염 사용)와 전고체 배터리가 시장에 등장하고 있습니다.

출처: Nature

‘The Future of Mobility – Battery Tech’에서 모빌리티 중심 배터리 기술 개요를 읽을 수 있습니다.

여기에는 Dr. Goodenough가 2023년 사망하기 전 작업한 유리 배터리 개념이 포함되며, 이는 기존 리튬이온 배터리보다 두 배 높은 에너지 밀도와 23,000회 충전 가능, 충전 시간은 몇 분에 불과하다는 주장을 담고 있습니다.

배터리 기술에 투자하기

리튬이온 배터리는 이미 여러 차례 세계를 바꾸어 왔으며, 고급 전자기기를 어디서든 휴대하게 하거나 전기차에 전력을 공급했습니다. 앞으로도 100% 재생 가능 전력망을 구현하거나 충분히 높은 에너지 밀도로 항공기 전동화를 가능하게 하는 등 다시 한 번 세상을 바꿀 수 있습니다.

배터리 관련 기업에 투자하려면 다양한 브로커를 통해 가능하며, securities.io에서 미국 최고의 브로커, 캐나다 최고의 브로커, 호주 최고의 브로커, 영국 최고의 브로커, 그리고 다른 많은 국가에 대한 추천을 확인할 수 있습니다.

특정 배터리 회사를 직접 선택하고 싶지 않다면, Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF (LIT), 또는 WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF와 같은 바이오테크 ETF에 투자할 수 있으며, 이는 배터리 산업 성장에 대한 보다 다양화된 노출을 제공합니다.

배터리 기업

1. CATL (300750.SZ)

CATL은 전 세계 배터리 제조를 선도하는 기업으로, 전 세계 배터리 생산량의 절반 이상을 생산합니다.

이 회사는 배터리 제조 공급망의 모든 단계에 관여하며 배터리 기술 분야에서도 선두에 서 있습니다.

이는 리튬이온 배터리에서도 마찬가지이며, 오랫동안 확고한 리더십을 유지해 왔습니다.

CATL은 여러 다른 배터리 유형에서도 인상적인 진전을 발표했습니다:

출처: CATL

최근에는 리튬 금속 음극에서 수지상이 형성되는 문제를 3D 구조로 차단하여 사실상 해결했다고 발표했습니다.

회사는 TENER 시스템 성능 발표와 함께 유틸리티 규모 배터리 시장에도 활발히 진출하고 있습니다. 이는 “베이징, 중국에서 사용된 최초의 5년 무감소 에너지 저장 시스템”이라는 의미입니다.

소형 공간에 거대한 에너지: 20피트 컨테이너에 6.25 MWh 용량. 최첨단 기술과 뛰어난 제조 역량으로 CATL은 무감소 배터리에서 고활성 리튬 금속이 초래하는 문제를 해결했으며, 이는 산화 반응으로 인한 열폭주를 효과적으로 방지합니다.

CATL은 중국에서 배터리 재활용 설비에 32억 5천만 달러를 투자했습니다. CATL은 니켈, 코발트, 망간에 대해 99.6%, 리튬에 대해 91%의 놀라운 회수율을 달성했습니다.

규모, 집중, 연구개발 성과 덕분에 CATL은 배터리 혁신, 제조, 재활용의 최전선에 있을 가능성이 높으며, 이는 Tesla, NIO, Ford, Stellantis 등 전기차 제조업체들의 핵심 파트너가 됩니다.

2. BYD (BYDDY)

오랫동안 Tesla의 전기차 시장 도전자였던 BYD는 이제 Tesla뿐만 아니라 거의 모든 자동차 제조업체에게도 강력한 경쟁자가 되었습니다.

이 회사는 원래 리튬이온 휴대폰 배터리 공급업체에서 시작해 중국(세계 최대 전기차 시장)에서 Tesla와 거의 동등한 전기차를 판매하고, 태국, 스웨덴, 호주, 뉴질랜드, 싱가포르, 이스라엘, 브라질에서 가장 많이 판매되는 전기차가 되었습니다.

BYD는 2023년 중국이 세계 최대 자동차 수출국이 되면서 일본을 제치고 세계 최대 자동차 수출국이 되는 데 큰 역할을 했으며, 새로운 공장(예: 헝가리)으로 해외 확장을 적극 추진하고 있습니다.

또한 $10,000-$12,000 가격대의 Seagul과 같은 차량을 출시하면서, 나트륨 배터리를 사용해 새로운 시장을 열 수 있을 것으로 보입니다.

핵심이 배터리 제조업체인 BYD는 LFP(리튬 인산철) 배터리 시장에서 CATL의 33.9%에 비해 41.1%의 시장 점유율을 차지하며 강력한 경쟁자입니다.

BYD가 유럽 및 미국 시장에 저가 전기차를 대량 공급하는 ‘홍수’는 최근 부과된 관세보다 높은 수준의 보호주의에 직면할 수 있으며, 이는 BYD의 성장에 제동을 걸 수 있습니다.

하지만 동시에 저가 중국 전기차는 남미, 러시아, 아프리카, 중동, 동남아시아 등 국내 자동차 제조업체가 거의 없는 지역에서 큰 성공을 거두고 있습니다.

이는 서구와 중국 모두와 좋은 관계를 유지하려는 지리정치적 균형을 추구하는 수십억 명의 잠재 고객을 의미하며, 강력한 보호무역 장벽이 형성될 가능성은 낮습니다.

또한 EU나 미국에서도 현지 전기차 제조업체보다 중국 가격이 훨씬 높고, 현지 생산을 현지화함으로써 동유럽, 멕시코, 터키 등에서 경쟁력을 유지할 수 있습니다.

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Jonathan은 유전체 분석 및 임상 시험에서 연구를 수행한 전 바이오케미스트 연구자입니다. 그는 현재创新, 시장 주기 및 지구 정치에 중점을 둔 그의 출판물 'The Eurasian Century"에서 주식 분석가 및 금융 작가로 활동하고 있습니다.