50년 후: 있을 법하지 않은 리튬의 탄생

찰스 머레이 | 2022년 11월 4일

1972년 가을, Stanley Whittingham이 세상을 바꾼 배터리 개념을 떠올리는 데는 단 3개월이 걸렸습니다. 옥스포드에서 교육을 받은 화학자 휘팅햄(31세)은 기술 혁명이 곧 일어날 것이라고 생각했습니다.

50년이 지난 지금, 그의 배터리 탄생 이야기는 불가능해 보입니다. Whittingham은 젊었고 스탠포드 대학교에서 박사후 과정을 마치고 뉴저지의 Exxon Corp.에서 일하고 있었습니다. 아이러니하게도 그의 배터리 개념은 엑슨에게 도움이 되지 않았습니다. 초기 애플리케이션에는 캠코더, 노트북 컴퓨터, 휴대폰 등이 포함되었으며 이들 중 어느 것도 Exxon과 원격으로 연결되지 않았습니다. 나중에 그의 개념은 결국 전 세계의 전기 자동차에 전력을 공급하여 엑슨 오일의 직접적인 경쟁자 역할을 하게 되었습니다. 돌이켜보면 엑슨이 그러한 연구를 뒷받침할 수 있었던 것은 불가능해 보인다. 하지만 그랬습니다.

Exxon에서 Whittingham의 작업은 빠르게 진행되었습니다. 그는 1972년 9월에 회사에 입사했고 몇 주 만에 스탠포드에서 공부했던 개념을 연구하기 시작했습니다. 이 개념은 특정 금속의 원자 격자에 이온을 삽입한 다음 해당 이온을 추출하는 것과 관련이 있습니다. 이를 인터칼레이션("in-TURK-a-lay-shun"으로 발음)이라고 했습니다. 그는 책 'Long Hard Road: The Lithium-Ion Battery and the Electric Car'에서 "나는 '여기에 에너지를 저장할 수 있다'고 말했습니다."라고 회상했습니다. "그리고 그때 우리는 전기화학 연구에 착수했고, 그다음에는 배터리에 착수했습니다."

그는 두 전극 모두에 삽입 물질을 사용하여 배터리를 만들기로 결정했습니다. 먼저 그는 다양한 층상 화합물을 고려하여 배터리 음극으로 티타늄을 선택했습니다. 그러다가 과학의 역사를 바꾸는 결정이 내려졌습니다. 양극의 경우 처음에 칼륨을 조사했지만 너무 위험하다고 판단했습니다. 그는 곧 부드럽고 은빛의 가벼운 금속인 리튬을 선택했습니다. 궁극적으로 그는 배터리 양극에 리튬을 사용한 다음 전해질에 리튬을 사용했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 당시 최고의 배터리는 1.3V에서 작동했지만 이 새로운 배터리는 2.4V를 제공했습니다. 그리고 삽입 과학 덕분에 재충전이 가능했습니다. Whittingham의 리튬 티타늄 이황화물 배터리의 작동 버전은 1972년 12월에 완료되었습니다.

한 달 후, 휘팅엄은 엑슨 기업 관리자들에 의해 뉴욕시 사무실로 소환되었습니다. Whittingham은 "나는 Exxon 이사회의 소위원회와 대화하고 내가 하고 있는 일을 설명하라는 요청을 받았습니다."라고 회상했습니다. 그는 Long Hard Road에서 "연구에 종사하는 누군가가 그들에게 무슨 일이 일어나고 있는지 말해주었다"고 말했습니다. "그래서 저는 그곳에 가서 최대 5분, 최대 10분 동안 설명했습니다. 그리고 일주일도 안 되어 그들은 이에 투자하기로 결정했습니다."

엑슨이 석유와 경쟁할 수 있는 기술에 투자했어야 했다는 사실은 이제 믿기지 않는 것 같습니다. 그러나 1972년에는 세상이 달랐습니다. 당시 과학적 합의에 따르면 50년 안에 지구의 석유가 고갈될 것이었습니다. 과학자들은 2000년까지 석유 가용성이 심각한 하락세를 보일 것이라고 말했습니다. 게다가 1972년에는 기업 연구 문화도 달라졌다. 엑손을 비롯한 대기업들은 기초연구, 즉 과학을 위한 과학이라는 개념을 깊이 믿었다. 과학 논문과 특허가 목표였습니다. 획기적인 발전이 이루어지면 회사는 이를 통해 이익을 얻을 수 있는 방법을 알아낼 것이라고 가정했습니다.

휘팅엄의 경우도 마찬가지였다. 그는 앞으로 나아갈 용기를 얻었습니다. 그는 그렇게 했고, 엑슨은 1973년 벨기에에 특허를 신청했다. 1973년 미국에 석유 위기가 닥쳤을 때 엑슨의 긴박감은 커졌다. 1975년까지 그 변호사들은 Whittingham의 배터리에 대한 수많은 미국 특허를 신청했습니다.

확실히 Whittingham의 배터리는 리튬 이온이라고 불리지 않았으며 오늘날의 제품과 동일한 화학 물질을 사용하지도 않았습니다. 그러나 그것은 호스트 전극에 삽입된 리튬 이온이라는 동일한 기본 메커니즘으로 작동했습니다. 작은 버튼 셀 버전의 배터리가 제작되어 스위스 회사인 Ebauches SA에서 판매하는 "영구 태양광 손목시계"에 사용되었습니다. 거기에서는 완벽하게 봉사했습니다. 게다가 이 새로운 배터리를 보면서 전기 자동차의 잠재적인 미래를 생각하지 않는 것은 거의 불가능했습니다.