이차전지의 대명사인 리튬이온 전지는 그동안 눈부시게  발전해 왔지만, 아직도 성능이나 환경적인 측면에서 볼 때는 아쉬운 부분이 적지 않다. 쓸 만하면 어느새 방전되어 버리는 충전 효율이나 재활용되지 못하고 독성 폐기물로 버려지는 점 등이 그 이유인 것.

그러나 앞으로 몇 년 이내에 리튬이온 전지보다 훨씬 더 에너지 저장 능력이 우수하면서도 생분해가 가능하여 환경오염을 일으키지 않는, 설탕으로 만든 배터리가 미국의 과학자들에 의해 개발될 것으로 보여 에너지 업계의 기대를 모으고 있다.

과학기술 전문 매체인 phys.org는 최근 미 버지니아 공대의 연구진이 설탕을 이용하여 지금까지 개발된 배터리 중에서 가장 큰 에너지 밀도를 가진 배터리를 개발했다고 보도하면서, 이 배터리가 전통적인 배터리들보다 훨씬 더 저렴하고, 자연 친화적이어서 기존의 배터리를 대체할 수 있을 것으로 보인다고 예상했다.

10배 더 높은 에너지 밀도를 가진 설탕 배터리

이번 연구의 책임자인 버지니아 공대 생물시스템공학부의 퍼시벌 장(Percival Zhang) 교수와 그의 동료 연구진은 “설탕 배터리는 예전에도 개발된 적이 있지만, 이번에 개발된 설탕 배터리는 자주 설탕을 공급할 필요 없이 훨씬 더 오래 사용할 수 있고, 기존의 배터리보다도 10배나 더 높은 에너지 밀도를 가진다”고 설명했다.

장 교수는 “설탕은 자연계에 존재하는 가장 완벽한 에너지 저장 매체”라고 소개하면서 “우리가 배터리를 생산하는 친환경적인 방법으로 자연의 산물인 설탕을 활용하는 것은 지극히 당연한 일”이라고 강조했다.

설탕 배터리는 일종의 효소 연료전지로서, 공기와 연료인 말토덱스트린(maltodextrin)을 결합시켜 전기와 물을 발생시키는 원리로 만들어진다. 말토덱스트린은 탄수화물의 부분적인 가수분해로 만들어지는 다당류다.

또한 리튬리온 전지는 값비싼 백금을 촉매로 사용하는 것과 달리 설탕 배터리는 효소를 이용하기 때문에 훨씬 더 경제적이다. 또한 수소 연료전지와 달리 폭발이나 화재의 위험성 등이 없는 것으로 드러났다.

연구진의 설명에 따르면 만약 설탕 배터리가 방전되면, 사용자는 마치 프린터에 잉크를 보충하는 것과 같이 배터리에 설탕을 보충하면 되는 것으로 나타났다. 이에 대해 장 교수는 “그래도 공급 횟수를 최대한으로 줄이기 위해 오랜 시간 동안 구동될 수 있도록 에너지 밀도를 향상시킨 설계를 적용했다”고 밝혔다.

한편, 미국의 환경보호국이 최근 발표한 자료에 따르면 미국에서만 매년 독성을 가진 리튬이온 배터리가 수십억 개씩 사용된 후 버려지고 있는 것으로 밝혀졌다. 이렇게 버려진 배터리는 환경과 인간의 건강에 모두 심각한 해를 끼칠 수 있을 것으로 전문가들은 우려하고 있다.

따라서 버지니아 공대 연구진의 개발이 성공한다면 수십만 톤의 버려지는 배터리가 땅에 묻히면서 토양과 수질을 오염시키는 것을 방지할 수 있는 솔루션을 제공해줄 수 있을 것으로 전망되고 있다. 이에 대해 장 교수는 “3년 이내에 소형 가전제품에 전원을 공급할 수 있는 배터리를 개발할 계획”이라고 언급했다.

완전히 새로운 개념은 아니다

배터리의 연료로 설탕을 사용하는 것이 완전히 새로운 개념은 아니다. 글루코스(Glucose) 형태인 설탕이 모든 생물체가 필요로 하는 에너지를 제공한다는 사실은 이미 오래 전부터 과학자들의 관심의 대상이 되어 왔다.

미 세인트루이스대의 연구진은 얼마 전 설탕이 들어 있는 음료수로 작동할 수 있는 연료전지 배터리를 개발하여 화제가 됐다. 이 연료전지는 기존의 리튬이온 배터리에 비해 한 번 충전으로 3~4배 더 오래 가동될 수 있는 잠재성을 가진 것으로 나타났다.

이와 관련하여 당시 개발 책임자였던 세인트루이스대의 셀리 민터(Shelley Minteer) 박사는 “이는 우리가 생물과 화학을 연결함으로써 환경을 보다 깨끗하게 할 수 있는 우수한 배터리를 만들 수 있다는 것을 의미한다”라고 밝혔다.

민터 박사는 설탕 배터리의 첫 번째 응용분야로 휴대폰 배터리를 거론하면서 “이상적으로는 현재 시장에서 사용 중인 휴대폰 배터리와 유사한 형태를 이루는데, 설탕 용액이 미리 채워져 있는 특별한 카트리지로 구성되어 다양한 휴대용 전자장비들의 배터리 대체품으로 사용될 수 있기를 희망한다”고 말했다.

이 외에도 민터 박사는 국방용 전자장비에 적용될 수 있는 가능성을 제시하면서 “전쟁터 혹은 전기가 공급되지 않는 비상사태에서 휴대용 전자장비를 충전하기 위해 배터리에 설탕 재료를 첨가하기만 하면 즉시 재충전할 수 있을 것”이라고 예측했다.

일본에서도 설탕을 이용한 배터리 개발이 활발하게 진행되고 있는데, 나트륨 이온과 함께 설탕을 활용하여 기존의 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 배터리를 개발하고 있어 주목을 끌고 있다.

동경과학기술대의 신히찌 코마바(Shinichi Komaba) 교수가 이끌고 있는 연구진은 배터리를 위한 양극과 음극 물질을 개발하고 있다. 양극을 위한 물질로 일반 설탕을, 그리고 음극과 탄소를 만들기 위한 물질로는 나트륨 이온을 사용하고 있다.

코마바 교수는 “나트륨이온 배터리는 구리나 코발트보다는 철과 알루미늄 그리고 나트륨을 사용하여 제작되고 있다”면서 “우리들의 연구 결과는 양극으로 설탕에서 만들 수 있는 탄소를 사용함으로써 간단하게 배터리 용량을 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다”고 덧붙였다.

동경과학기술대 연구진은 설탕의 주요 성분인 자당(蔗糖)을 열분해함으로써 얻어진 경질탄소에 열을 가해 검은색의 경질탄소 분말을 만들었는데, 이것을 나트륨이온 배터리에서 양극으로 사용했다.

코마바 교수는 “나트륨이온 배터리가 희귀하지 않고 풍부한 양을 자랑하는 저비용의 물질을 사용하고 있기 때문에, 조만간 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 배터리로 성장할 것”이라고 전망했다.