전기차의 심장 리튬이온 배터리는 도대체 언제 어떻게 발명되었을까?

요즘 도로에 굴러다니는 전동화 차량을 보면 문득 이런 생각이 들 때가 있습니다. 스마트폰에나 들어가던 얇은 부품이 어떻게 수 톤에 달하는 무거운 자동차를 거뜬히 움직이게 된 걸까요? 이 모든 변화의 중심에는 현대 과학의 엄청난 발명품인 리튬 기반의 에너지 저장 장치가 있습니다. 오늘은 이 놀라운 기술이 언제 처음 연구되기 시작해서, 어떤 과정을 거쳐 우리 자동차에까지 들어가게 되었는지 그 흥미로운 탄생 과정을 하나씩 짚어볼게요.

1. 1970년대 오일쇼크가 불러온 뜻밖의 연구
우리가 지금 매일같이 사용하는 이 전지 기술의 씨앗은 1970년대로 거슬러 올라갑니다. 당시 전 세계는 중동에서 시작된 오일쇼크 때문에 석유 가격이 폭등하면서 엄청난 경제적 위기를 겪고 있었습니다. 석유를 대체할 새로운 에너지원이 절실하게 필요했던 시기였죠. 이때 엑슨(Exxon)이라는 거대한 석유 회사의 연구원으로 일하던 스탠리 휘팅엄 교수가 처음으로 리튬이라는 물질을 이용해 전기를 저장할 수 있는 기초적인 형태의 전지를 만들어냈습니다. 하지만 초창기 모델은 충전과 방전을 반복하다 보면 내부에 뾰족한 결정이 자라나서 화재가 발생하기 쉬운 단점이 있었습니다.

2. 위험했던 기술을 안전하게 바꾼 과학자들
화재 위험 때문에 상용화가 막혀 있던 기술을 한 단계 끌어올린 사람은 존 굿이너프 교수였습니다. 그는 1980년대에 코발트 산화물이라는 새로운 물질을 사용해서 전지의 전압을 두 배로 높이는 데 성공했어요. 그리고 이 연구를 바탕으로 일본의 요시노 아키라 연구원이 폭발 위험이 있던 순수 금속 상태 대신 더 안전한 탄소 재료를 사용하면서 마침내 우리가 아는 현대적인 형태의 전지가 완성되었습니다. 여러 국가의 과학자들이 수십 년 동안 릴레이를 하듯 기술을 이어받아 발전시킨 결과물인 셈입니다.

3. 1991년, 세상을 바꾼 첫 상용화
연구실에만 있던 이 기술이 세상에 제대로 나온 건 1991년입니다. 일본의 소니(Sony)가 세계 최초로 캠코더에 이 배터리를 탑재하면서 상용화에 성공했죠. 기존에 쓰던 니켈 카드뮴 전지보다 훨씬 가볍고 크기가 작았는데, 충전해서 쓸 수 있는 용량은 훨씬 컸기 때문에 당시로서는 혁명과도 같았습니다. 벽돌만 하던 과거의 휴대폰이 지금처럼 주머니에 쏙 들어가는 얇은 스마트폰으로 진화할 수 있었던 것도 다 이 동력원 덕분입니다.

4. 도대체 왜 제일 가벼운 금속을 썼을까?
원소 주기율표를 보면 리튬은 고체 중에서 가장 가벼운 원소입니다. 자동차나 휴대폰처럼 사람이 들고 다니거나 직접 타고 이동해야 하는 기기들은 무조건 무게를 줄이는 게 핵심이죠. 무거우면 그만큼 에너지를 많이 낭비하게 되니까요. 이 녀석은 깃털처럼 가벼우면서도 전자를 쉽게 내어주는 성질이 있어서 에너지를 품고 있는 능력이 다른 물질보다 압도적으로 뛰어났습니다. 덕분에 과거 자동차에 쓰이던 크고 무거운 납축전지를 완전히 밀어내고 모빌리티 시장의 표준으로 자리 잡을 수 있었습니다.

5. 모바일 기기에서 자동차의 심장으로 진화
사실 2000년대 초반까지만 해도 이 장치는 노트북이나 카메라 같은 작은 소형 기기에만 쓰일 줄 알았습니다. 온도 변화에 아주 민감하고, 거대한 자동차를 굴릴 만큼 큰 힘을 뿜어내는 게 기술적으로 너무 어려웠거든요. 하지만 수많은 공학자가 내부 소재의 황금 비율을 찾아내고, 수천 개의 작은 셀을 하나의 큰 팩으로 묶으면서도 열을 식혀주는 첨단 관리 시스템을 개발했습니다. 이 패키징 기술이 극도로 발전하면서 지금처럼 한 번 충전에 수백 킬로미터를 거뜬히 달리는 친환경 이동 수단이 탄생하게 된 겁니다.

6. 노벨상으로 증명된 기초 과학의 승리
결국 지금 우리가 누리는 편리한 전동화 라이프는 수십 년 전 연구실에서 밤을 새우던 과학자들의 집념이 만들어낸 결과물입니다. 실제로 2019년에는 이 기술의 뼈대를 만들고 발전시킨 스탠리 휘팅엄, 존 굿이너프, 요시노 아키라 세 분의 과학자가 그 공로를 인정받아 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 단순히 기계를 움직이는 부품을 넘어, 인류의 삶을 송두리째 바꾸고 지구의 환경 문제까지 해결할 수 있는 위대한 발명으로 인정받은 것이죠. 

앞으로 충전소에서 차에 플러그를 꽂을 때, 내 차의 바닥에 50년이 넘는 시간 동안 수많은 과학자가 쏟아부은 엄청난 노력과 과학적 원리가 담겨있다는 걸 한 번쯤 떠올려 보시면 좋겠습니다.