5분 읽기
- 125년 전, 발명가 토머스 에디슨은 전기 자동차의 전원으로 니켈-철 배터리를 개발
- 이란-미국 연구팀, 나노기술 적용한 Ni-Fe 배터리 2.0 개발, 1만2천회 이상 충전가능
- 소 단백질 알부민 사용 분자의 꼬임과 접힘 사이에 니켈 또는 철 원자의 미세한 나노 클러스터를 성장시켜
- 풍력 발전 및 전력망 완충을 위한 에너지 저장용으로 기대

에디슨 배터리의 새로운 버전
연구진, 125년 된 니켈-철 배터리의 현대적 버전 개발

오래된 기술의 재탄생:
125년 전, 미국의 발명가 토머스 에디슨은 전기 자동차의 전원으로 니켈-철 배터리를 개발했다. 이제 미국의 연구진이 그의 개념을 계승해 더욱 발전시켰다. 이들이 개발한 새로운 니켈-철 배터리는 다공성 탄소 골격에 철 또는 니켈 나노 클러스터가 내장된 구조다. 연구진에 따르면, 이 배터리는 단 몇 초 사이에 충전 가능하며 높은 에너지 용량을 자랑해 풍력 발전 에너지 저장 등에 적합하다. 

▲ 토머스 에디슨(왼쪽)은 1901년에 니켈-철 배터리를 개발했다. 이제 이 오래된 배터리 기술의 새로운 버전이 등장했다. © historisch/Maher El-Kady/UCLA

오늘날 미국의 발명가 토머스 에디슨은 전화기, 전구, 축음기 발명으로 가장 잘 알려져 있다. 니콜라 테슬라와의 "전류 전쟁" 또한 여전히 회자되고 있다. 하지만 1900년, 에디슨은 새로운 배터리 개념 연구에도 매진했다. 그의 목표는 초기 전기 자동차에 사용되던 납축전지를 더 저렴하고 주행 거리가 더 긴 배터리로 대체하는 것이었다.

에디슨의 니켈-철 배터리

1901년, 마침내 때가 왔다. 에디슨은 니켈-철 배터리에 대한 특허를 출원했다. 이 배터리는 일반 납축전지보다 에너지 밀도가 높았고 충전 시간도 절반밖에 걸리지 않았다. 하지만 에디슨의 배터리는 기대에 미치지 못하는 주행 거리를 가지고 있었고, 납축전지보다 훨씬 비쌌다. 1911년경, 니켈-철 배터리를 장착한 디트로이트 전기 자동차를 구입하려면, 납축전지 모델보다 600달러를 더 지불해야 했다.

에디슨의 니켈-철 배터리는 초기에는 사용되었지만, 곧 오늘날에도 널리 사용되는 니켈-카드뮴 배터리로 대체되었다. 하지만 에디슨의 배터리가 완전히 사라진 것은 아니다. 니켈-철 배터리는 내구성이 뛰어나고 수천 번 충전이 가능하며 수명이 최대 25년에 달하기 때문에 오늘날에도 여전히 사용되고 있다. 예를 들어, 민감한 장비의 무정전 전원 공급 장치나 철도 시스템에 사용된다.

▲ 전기 자동차는 에디슨 시대에도 이미 유행이었다. 사진은 1913년, 디트로이트 전기 자동차 옆에 서 있는 발명가 에디슨의 모습이다. © Smithsonian/historical

자연에서 영감을 얻은 전극 구조

에디슨의 배터리 개념을 새롭게 해석한 연구가 발표되었다. 테헤란 대학교의 하비베 비슈쿨(Habibeh Bishkul) 교수가 이끄는 이란-미국 공동 연구팀은 나노기술을 적용한 니켈-철 배터리 2.0을 개발했다. 연구진에 따르면, 이 시제품은 기존 배터리와 마찬가지로 1만2천 회 이상의 충전 사이클을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 뛰어나면서도, 충전 시간은 단 몇 초에 불과하고 높은 용량을 자랑한다.

이 니켈-철 배터리 2.0의 핵심 혁신은 전극 구조에 있다. 연구팀은 뼈나 조개껍데기와 같은 천연 물질의 구조에서 영감을 얻었다. 이러한 물질들은 단백질 골격 안에 미네랄이 박혀 있는 형태다. 공동 저자인 리처드 카너(Richard Kaner) 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스 교수는 "단백질은 미네랄의 적절한 분포를 보장해 안정적이면서도 깨지기 쉬운 성질을 없애준다"고 설명했다.

배터리의 경우, 활성 성분의 적절한 분포 또한 매우 중요하다. 이를 통해 가능한 한 많은 분자가 전기화학 반응에 참여할 수 있기 때문이다.

단백질을 "스페이서"로, 탄소를 "지지대"로 활용

비슈쿨과 그의 동료들은 배터리 전극을 만들기 위해 소 단백질인 알부민을 사용해 이 분자의 꼬임과 접힘 사이에 니켈 또는 철 원자의 미세한 나노 클러스터를 성장시켰다. 그 결과, 각각 크기가 5nm(나노미터)에 불과한 수많은 금속 덩어리가 박혀 있는 단백질 지지대가 만들어졌다. 연구팀은 이 단백질 매트릭스를 산화 그래핀과 결합했다. 이 2차원 물질은 단 한 겹의 탄소 네트워크에 산소 원자가 양쪽에 결합된 구조다.

마지막 단계에서 이 혼합물을 먼저 뜨거운 물에 담근 후 건조 오븐에서 건조한다. 그 결과, 니켈 또는 철 나노 클러스터가 고르게 분포된 얇은 탄소 지지대로 이루어진 다공성 에어로겔이 생성된다. 핵심적인 장점은 이 다공성 구조가 배터리 전극의 반응 표면적을 획기적으로 증가시킨다는 것이다.

카너는 "입자가 이렇게 작으면 거의 모든 원자가 반응에 참여한다"며, "이로 인해 충전과 방전 속도가 훨씬 빨라지고 더 많은 전기를 저장할 수 있다. 배터리 전체가 훨씬 더 효율적으로 작동한다”고 설명했다.

니켈-철 배터리 2.0 성능 테스트 진행 중

초기 테스트 결과, 에디슨의 니켈-철 배터리 현대 버전의 성능이 입증되었다. 연구팀은 "탄소 지지체에 담지된 철 나노입자를 음극으로, 니켈 나노입자를 양극으로 사용했을 때 놀라운 비용량을 보였다"고 밝혔다. 비슈쿨(Bishkul) 연구팀은 철 음극이 93mAh/g(밀리암페어시/그램), 니켈 음극이 101mAh/g의 용량을 달성했다고 발표했다.

추가 테스트를 위해 연구팀은 두 전극을 결합하여 슈퍼커패시터-배터리 하이브리드를 제작했다. 측정 결과, 이 배터리는 47Wh/kg의 에너지 밀도와 18kW/kg의 비출력을 나타냈다. 또한, 나노기술을 적용한 이 에디슨 배터리는 기존의 철-니켈 배터리와 유사한 내구성을 보였다. 시제품은 1만2000회 이상의 충전 사이클을 견뎌냈으며, 이는 약 30년의 수명에 해당한다.

▲ 1970년대에 사용되던 것과 같은 기존의 니켈-철 배터리는 오늘날 거의 사용되지 않는다. 하지만 나노기술로 최적화된 새로운 버전의 배터리가 등장한다면 이러한 상황이 바뀔 가능성이 있다. © z22 / CC-by-sa 3.0

풍력 발전 및 전력망 완충을 위한 에너지 저장

연구진은 새로운 니켈-철 배터리의 주요 응용 분야로 고정형 에너지 저장 시스템을 꼽는다. 이 배터리는 반응 속도가 빠르고 단시간에 많은 양의 전기를 저장하거나 방출할 수 있어 전력망의 완충 장치 또는 풍력 터빈에서 생산되는 잉여 전기를 일시적으로 저장하는 데 적합하다. 또한 데이터 센터의 백업 전원으로도 활용될 수 있다.

캘리포니아 대학교의 공동 저자인 마허 엘-카디(Maher El-Kady)는 "이 기술은 배터리 수명을 수십 년으로 연장시켜 주기 때문에 이러한 에너지 저장 시스템에 이상적이다"고 말하며, "이는 전력 인프라 구축 비용이 점점 더 높아질 것이라는 우려를 완화할 수 있을 것이다"고 덧붙였다. 나노 기술로 최적화된 전극의 비교적 간단한 생산 공정을 더욱 저렴하게 만들기 위해 연구진은 이미 소 혈청 알부민을 대체할 수 있는 더욱 저렴하고 널리 사용 가능한 재료를 찾고 있다.

참고: Small, 2026; doi: 10.1002/smll.202507934
출처: 캘리포니아 나노시스템 연구소 / California NanoSystems Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]