강철보다 튼튼한 배터리? 탄소섬유 배터리 등장 [고든 정의 TECH+]

탄소섬유는 지름이 10마이크로미터 수준에 불과한 가느다란 섬유이지만, 강성과 인장강도가 높으며 열과 화학물질에 대한 내성이 우수해 항공기나 스포츠카처럼 강도는 높이고 무게는 줄여야 하는 제품에 사용되고 있습니다. 특히 에폭시 등의 수지에 혼합해 탄소섬유 강화 중합체(CFRP)로 만들면 강도가 우수한 제품을 원하는 형태로 만들 수 있어 널리 사용되고 있습니다.

물론 가격이 비싸다는 것이 흠이지만, 가볍고 튼튼한 항공기, 드론, 자동차에 대한 수요가 증가하면서 탄소섬유의 수요는 점차 증가하고 있습니다. 그런데 가볍고 튼튼한 소재를 넘어 탄소섬유에 새로운 기능을 부여하려는 연구가 진행 중입니다. 바로 탄소섬유 배터리입니다. 스웨덴 샬머스 공대 연구팀은 오래전부터 관련 기술을 연구해 왔으며, 2022년에는 상업화를 위해 스핀오프 기업인 시노누스(Sinonus)를 설립하고 제품 개발에 나서고 있습니다. 이미 배터리 전극으로 사용되는 탄소 성분 사이에 전해질과 분리막을 넣는 것이 탄소섬유를 배터리로 바꿀 수 있는 비결입니다.

샬머스 공대 연구팀이 개발한 프로토타입 탄소섬유 배터리는 두 개의 탄소섬유 전극 사이에 역시 얇지만 튼튼한 유리섬유 분리막을 넣고 그 미세한 틈에 전해질을 채워 넣어 만들었습니다. 현재 개발한 탄소섬유 배터리는 기존의 탄소섬유처럼 튼튼하면서도 얇지만, 흔히 사용하는 AAA 건전지 정도의 에너지를 저장할 수 있습니다. (사진)

이 탄소섬유 배터리는 기존의 탄소섬유처럼 항공기, 드론, 자동차 부품으로 사용할 수 있으며 방탄복이나 복합장갑 등 전차 및 장갑차 방호 소재로 사용될 수 있습니다. 다른 탄소섬유처럼 가볍고 튼튼할 뿐 아니라 화재 위험성도 낮다는 것이 제조사의 주장입니다. 아마도 상용화의 최대 관건은 가격과 에너지 밀도가 될 것으로 보입니다. 시노누스는 이 프로토타입 배터리의 정확한 에너지 밀도를 공개하지는 않았지만, 2021년에 공개한 프로토타입은 24Wh/kg 정도의 밀도를 지니고 있었습니다.

현재 사용되는 리튬 이온 배터리와 비교해 현저히 낮은 수준입니다. 연구를 통해 에너지 밀도를 더 높일 순 있겠지만, 당분간 리튬 이온 배터리를 따라잡기는 어려울 것으로 보이는 수준입니다. 따라서 탄소섬유 배터리의 일차 목표는 리튬이온 배터리를 대체하는 것이 아니라 새로운 틈새시장을 노리는 것이 될 것으로 보입니다. 예를 들어 드론 부품 중 일부를 대체할 경우 조금이라도 항속 거리를 더 높일 수 있고 전기 자동차의 경우에도 범퍼 등 일부 부품을 대체한다면 주행거리를 약간 늘리면서 안전성도 높일 수 있습니다.

군수용 배터리 및 장갑도 기대되는 응용 분야입니다. 최근 각종 전자 장비의 증가로 인해 병사들이 휴대하는 배터리의 양이 늘어나고 있는데, 방탄복에 이런 탄소섬유 배터리를 통합한다면 폭발과 화재 위험이 있는 물건을 휴대하지 않아도 됩니다. 많은 전자 장비와 센서, 레이다를 사용하고 있는 전차나 장갑차도 마찬가지 이점을 누릴 수 있습니다. 하지만 탄소섬유 자체가 비싼데, 여기에 배터리 기능을 추가하면 구조가 복잡해지면서 제조 단가도 더 높아질 가능성이 높습니다. 결국 합리적인 가격에 대량 생산이 가능하고 에너지 밀도를 충분히 높일 수 있을지가 상업화의 관건이 될 것입니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com