20세기 중후반 이후 온실가스 대기 농도가 증가하면서 현대적 온난화가 지속되고 있으며, 이제는 매일의 날씨에서도 기후 변화를 감지할 수 있는 수준에 이르렀습니다. 오늘날 세계 최대 경제국들은 화석 연료에 대한 높은 의존도로 인해 여전히 막대한 양의 CO2를 배출하고 있습니다(그림 1).
더 친환경적인 에너지원을 향한 지속적인 노력 속에서 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지는 연구가 활발히 진행되고 대중의 관심이 높아지고 있는 두 가지 기술입니다. 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지 산업은 향후 10년 내에 각각 약 1,170억 달러와 2,600억 달러 규모에 이를 것으로 예상됩니다.
리튬 이온 배터리에 대한 관심이 급증하는 주요 원인은 전기차 및 가전제품 등에서의 사용이 폭발적으로 증가하고 있기 때문입니다. 반면 H2는 에너지원이자 저장 매체로서 운송, 건물 에너지 공급, 가역 시스템을 통한 그리드용 장기 에너지 저장 분야에서 활용되고 있습니다. 두 기술 모두 전력 공급의 탈탄소화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
저희 CAS Content Collection™을 활용한 분석 결과에 따르면, 지난 10년간 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지에 관한 연구의 상당 부분은 사용상의 당면 과제와 장벽을 해결하는 데 집중되어 왔으며, 이 중 일부를 여기서 다룰 예정입니다. 이 기술들이 에너지 사용 방식을 변화시키고 더 친환경적인 미래로 나아가게 하려면 이러한 연구가 매우 중요합니다.
리튬 이온 배터리 vs 수소 연료 전지: 무엇이 더 유망할까?
표면적으로는 수소 연료 전지가 운송 분야에서 더 유망할 수 있다고 주장하기 쉽습니다. 두 기술의 핵심 응용 분야인 운송에서 수소 연료 전지는 리튬 이온 배터리보다 에너지 저장 밀도가 높고 무게가 가벼우며 공간을 적게 차지하기 때문입니다. 또한 수소 연료 차량은 리튬 이온 배터리 차량보다 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 하지만 수소 연료 전지에도 단점은 있습니다. H2에 저장된 에너지의 약 60%가 H2 에너지 패키징 과정에서 손실되는데, 이는 리튬 이온 배터리 사용 시 발생하는 에너지 손실보다 약 3배 더 많은 양입니다.
분명 두 기술 모두 수많은 응용 분야가 존재하므로 단순 비교는 어렵습니다. 더욱이 이러한 관점은 현재 진행 중인 연구와 기술의 광범위한 비용 및 이점을 간과하고 있습니다. CAS Content Collection 검색을 통해 표면 아래를 깊이 들여다보고, 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지가 오늘날 어떻게 사용되고 있으며 미래에는 어떻게 사용될 수 있을지에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 사용의 과제
리튬 이온 배터리의 제조와 폐기는 항상 정치적, 환경적 우려의 대상이 되어 왔으며, 이와 관련된 상당한 오염 문제와 리튬 및 기타 핵심 자원의 비재생적 특성은 여전히 매우 중요한 사안입니다.
전기차 수가 폭발적으로 증가하고 배터리 용량이 커짐과 동시에 스마트폰 및 기타 가전제품의 리튬 이온 배터리 폐기가 급증하면서 에너지 낭비와 비재생 자원에 대한 의존도가 더욱 심각해지고 있습니다. 실제로 2040년에는 전 세계에서 판매되는 모든 차량의 58%가 전기차가 될 것으로 예상되며, 이로 인해 발생하는 총 폐기물은 최대 800만 톤에 이를 수 있습니다. 따라서 최근 리튬 이온 배터리에 관한 많은 연구는 오염을 줄이고 광물 자원 고갈에 대한 압박을 완화하기 위한 재활용 방법에 집중되고 있습니다.
오늘날 전 세계적으로 리튬 이온 배터리의 재활용률은 약 5%에 불과합니다. 이는 배터리 소재의 변동성, 배터리 설계 및 소재의 기술적 표준화 부족(및 그에 따른 재활용 인건비 상승), 재활용 시설 내의 한계, 재활용의 많은 이점(소재 안보, 안전, 환경적 이점 등)에 대한 수익화 부족, 그리고 전 세계 대부분 지역의 재활용 규제 부재와 같은 제약 때문입니다.
수소 연료 전지 사용의 과제
수소 연료 전지는 주로 백금 사용으로 인해 비용이 상당히 높지만, 가장 큰 과제는 H2의 저장 및 운송이 어렵다는 점입니다. 실제로 H2가 소비자용 연료로 성공하려면 견고한 H2 저장 소재를 찾고 안전한 운송을 위한 정교한 시스템을 개발하는 것이 무엇보다 중요합니다.
주요 연구 동향: 리튬 이온 배터리
앞서 논의한 바와 같이, 리튬 이온 배터리(LIB)와 관련된 오염, 폐기물, 제한된 광물 자원 문제를 해결할 수 있는 방안으로 배터리 재활용이 연구 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 이 주제에 관한 연간 논문 발행량 증가율(32%)은 전체 과학 논문 증가율(연간 4%)을 크게 상회하며, 이는 해당 분야에 대한 관심이 급증하고 있음을 시사합니다(그림 2).
고무적인 점은 이전에는 연구가 미진했던 리튬 이온 배터리 구성 요소에 대한 연구와 분해 기술에 대한 연구가 상당 부분 진행되고 있다는 것입니다(그림 3). 이는 재활용 가능한 물질의 양을 극대화할 수 있어 환경적으로 바람직한 보다 포괄적인 재활용 관리 관점이 확산되고 있음을 보여줍니다. 양극재를 회수하여 재생한 뒤 새로운 배터리에 재사용하는 직접 재활용 방식 또한 관심이 높아지고 있으며(그림 4), 다른 재활용 방식보다 에너지 및 시약 비용이 낮을 것으로 예상됩니다.
주요 연구 동향: 수소 연료 전지
There has been a steady increase in the volume of patents in the H2 fuel space since 1997, demonstrating the growing global interest in this technology (Figure 5). Encouragingly, H2 storage has remained the leading topic of interest over the last decade (Figures 6 and 7); the development of a H2 economy is highly dependent on the ability to store and transport the gas, since it is not feasible to establish a supply chain without this capability.
Hydrogen storage is followed by dehydrogenation (Figure 6), which has been established as the second leading area of innovation since 2012. With dehydrogenation methods, it is possible to extract H2 gas from liquid H2 carriers such as ammonia–chemicals for which the storage and transportation infrastructure already exists. Thus, this topic could represent a key solution in efforts to utilize H2 more widely. Ongoing research seeks to increase the efficiency of costly processes such as the Haber-Bosch process, required to extract H2 from its carrier (in the case of an ammonia source), or find more energy-efficient alternatives.
향후 전망
CAS Content Collection을 통해 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지라는 두 가지 핵심 기술의 잠재력을 활용하기 위한 연구 동향을 조사할 수 있었습니다. 이 기술들은 더 친환경적인 미래를 위해 전 세계 에너지 사용 방식을 변화시키는 데 기여할 것입니다.
Moreover, research appears to be focused on solving key contemporary issues associated with these technologies–in the case of lithium-ion batteries, recycling is undergoing a research boon, while H2 storage remains the principal topic of interest in hydrogen fuel cell work.
