나무에서 오는 배터리의 약속

전기 자동차에 대한 수요가 급증함에 따라 과학자들은 지속 가능한 배터리를 만들기 위한 재료를 찾고 있습니다. 나무의 목질을 만드는 물질인 리그닌이 강력한 경쟁자로 부상하고 있습니다.

약 8년 전, 핀란드의 주요 종이 생산업체는 세상이 변하고 있음을 깨달았습니다. 디지털 미디어의 부상, 사무용 인쇄의 감소 및 우편 발송의 인기 감소는 무엇보다도 종이 가 꾸준히 감소하기 시작했음을 의미했습니다.

핀란드의 Stora Enso는 스스로를 "세계에서 가장 큰 사유림 소유주 중 하나"라고 설명합니다. 따라서 예를 들어 목재 제품, 종이 및 포장재를 만드는 데 사용하는 많은 나무가 있습니다. 이제는 8분 만에 충전되는 전기 자동차 배터리인 배터리도 만들고자 합니다.

회사는 엔지니어를 고용하여 나무에서 발견되는 중합체인 리그닌을 사용할 가능성을 조사했습니다. 나무의 약 30%는 종에 따라 다르지만 리그닌이며 나머지는 대부분 셀룰로오스입니다.

Stora Enso의 리그닌 기반 배터리 솔루션인 Lignode의 책임자인 Lauri Lehtonen은 "리그닌은 셀룰로오스 섬유를 함께 붙이고 또한 나무를 매우 단단하게 만드는 나무의 접착제입니다."라고 설명합니다.

중합체인 리그닌에는 탄소가 포함되어 있습니다. 그리고 탄소는 양극이라고 하는 배터리의 중요한 구성 요소로 훌륭한 재료가 됩니다. 휴대전화의 리튬 이온 배터리에는 거의 확실하게 흑연 양극이 있습니다. 흑연은 층 구조를 가진 탄소의 한 형태입니다.

Stora Enso의 엔지니어들은 일부 시설에서 이미 생산되고 있는 폐 펄프에서 리그닌을 추출하고 이 리그닌을 처리하여 배터리 양극용 탄소 재료를 만들기로 결정했습니다. 이 회사는 스웨덴 회사인 Northvolt와 파트너 관계를 맺고 있으며 빠르면 2025년에 배터리를 제조할 계획입니다.

제지 공장에서는 배터리 구성 요소 제조를 포함하여 다른 용도로 사용할 수 있는 폐 리그닌을 대량으로 생산합니다(제공: Getty Images)

점점 더 많은 사람들이 전기 자동차를 구입하고 집에서 에너지를 저장함에 따라 배터리에 대한 전 세계적 욕구는 앞으로 몇 년 동안 급격히 증가할 것으로 예상됩니다 . Lehtonen이 보기에 "수요는 정말 어마어마합니다."

2015년에는 전 세계 배터리 재고에 매년 수백 GWh가 추가로 필요했지만, 경영 컨설팅 회사인 McKinsey에 따르면 세계가 화석 연료에서 멀어짐에 따라 2030년까지 연간 추가로 수천 GWh가 필요할 것입니다. 문제는 오늘날 우리가 의존하는 리튬 이온 배터리가 환경을 파괴하는 산업 공정 과 광업 에 크게 의존한다는 것 입니다. 또한 이러한 배터리의 일부 재료는 독성이 있어 재활용하기 어렵습니다. 많은 사람들이 인권 기록이 열악한 국가에서도 공급됩니다.

예를 들어 인조 흑연을 만들려면 탄소를 한 번에 몇 주 동안 최대 3,000C(5,432F)의 온도로 가열해야 합니다. 컨설팅 회사인 Wood Mackenzie에 따르면 이를 위한 에너지는 종종 중국의 석탄 화력 발전소에서 나옵니다 .

보다 광범위하게 사용할 수 있는 지속 가능한 배터리 소재를 찾고 있습니다. 어떤 이들은 나무에서 그것들을 찾을 수 있다고 말합니다.

일반적으로 모든 배터리에는 이온이라고 하는 하전 입자가 흐르는 양극과 음극이 각각 양극과 음극이 필요합니다. 예를 들어 배터리가 충전되면 리튬 또는 나트륨 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 다층 주차장에 있는 자동차처럼 정착한다고 현재 캘리포니아에서 배터리 과학자이자 엔지니어로 일하고 있는 Jill Pestana는 설명합니다. 독립 컨설턴트.

"이 재료의 주차 구조에서 원하는 주요 특성은 리튬이나 나트륨을 쉽게 흡수하고 떠날 수 있고 부서지지 않는다는 것입니다."라고 그녀는 설명합니다.

전기 자동차와 같은 것에 전력을 공급하기 위해 배터리가 방전되면 이온 은 전자 를 방출한 후 음극으로 다시 이동 합니다. 전자 는 전기 회로의 와이어를 통해 이동 하여 차량에 에너지를 전달합니다.

Pestana는 흑연이 이러한 반응을 가능하게 하는 신뢰할 수 있는 양극으로 잘 작동하기 때문에 "놀라운" 재료라고 말합니다. 리그닌 유래 탄소 구조를 포함한 대안은 그들이 일을 할 수 있음을 입증하기 위해 손을 놓고 싸우고 있습니다.

그러나 리그닌에서 탄소의 또 다른 형태인 그래핀을 만드는 스웨덴의 Bright Day Graphene과 같이 배터리 개발에서 리그닌의 잠재력을 탐구하는 여러 회사가 있습니다 .

Lehtonen은 Stora Enso가 Lignode 라고 명명한 회사의 탄소 양극 소재의 장점을 극찬 합니다. 그는 회사가 리그닌을 단단한 탄소 구조로 바꾸는 방법이나 그 구조가 정확히 무엇인지 정확히 밝히지 않을 것입니다. 그 과정에 리그닌을 가열하는 것이 포함되지만 인조 흑연 생산에 필요한 온도만큼 높지 않은 온도로 가열해야 한다는 점을 제외하고는 말입니다. .

생성된 탄소 구조의 한 가지 중요한 특징은 이것이 "무정형"이거나 불규칙하다는 점이라고 Lehtonen은 말합니다.

Stora Enso는 이것이 8분 안에 충전할 수 있는 리튬 이온 또는 나트륨 이온 배터리를 만드는 데 도움이 될 것이라고 주장합니다. 급속 충전은 전기 자동차 배터리 개발자의 핵심 목표입니다.

폐지 펄프로 만든 배터리의 지속 가능성은 원자재가 폐기물에서 온 것인지 확인하는 등 여러 요인에 따라 달라집니다(제공: Stora Enso).

영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 마그다 티티리치(Magda Titirici)와 동료들은 리그닌 유래 탄소 양극에 대한 별도의 연구에서 산소가 풍부한 결함이 많은 복잡하고 불규칙한 탄소 구조를 포함하는 전도성 매트 를 만드는 것이 가능하다고 제안합니다 . 이러한 결함은 나트륨 이온 배터리의 음극에서 전달된 이온과 양극의 반응성을 높이는 것으로 보이며 Titirici는 "이 전도성 매트는 배터리에 환상적입니다."라고 말합니다.

뉴욕주 로체스터 대학의 Wyatt Tenhaeff도 실험실 환경에서 리그닌 유래 양극을 만들었습니다 . 리그닌은 많은 잠재적 용도를 가질 수 있는 부산물이기 때문에 "정말 멋집니다"라고 그는 말합니다. 실험에서 그와 그의 동료들은 리그닌을 사용하여 리튬 이온 배터리의 일반적인 구성 요소인 접착제나 구리 기반 전류 수집기가 필요하지 않은 자체 지지 구조의 양극을 만들 수 있음을 발견했습니다. 이것이 리그닌 유래 탄소 양극의 비용을 줄일 수 있다는 사실에도 불구하고 그는 흑연 양극과 상업적으로 경쟁할 수 있을지 회의적입니다.

"고정된 흑연을 대체할 만큼 비용이나 성능 면에서 충분히 큰 단계 변화가 될 것이라고 생각하지 않습니다."라고 그는 말합니다.

지속 가능성의 문제도 있습니다. 국제청정교통협의회(International Council on Clean Transportation)의 첼시 발디노(Chelsea Baldino) 연구원은 양극 생산에 사용되는 리그닌이 제지 공정의 부산물로 추출되는 한 배터리를 만들기 위해 추가로 나무를 베지 않을 것이라고 말했습니다. .

Stora Enso의 대변인은 현재 회사에서 사용하는 모든 리그닌이 "펄프화 공정의 부류"이며 이를 사용한다고 해서 벌채된 나무의 수나 펄프 제조에 사용되는 목재의 양이 증가하지 않는다고 확인했습니다.

그러나 Pestana는 리그닌으로 양극을 만들려는 사람은 리그닌이 공급되는 임업이 지속 가능하도록 해야 한다고 덧붙입니다. "펄프 산업이 지속 가능하지 않다면 재료 자체가 지속 가능하게 파생된 재료가 아닙니다."라고 그녀는 설명합니다.

Stora Enso의 2021년 연례 보고서 에 따르면 회사는 "사용하는 모든 목재의 출처를 알고 있으며 100% 지속 가능한 출처에서 나옵니다".

양극 외에 리그닌을 배터리에 사용할 수 있는 다른 방법이 하나 이상 있습니다. 지난 4월 이탈리아 연구팀 은 리그닌 기반 전해질 개발 노력에 대한 논문을 발표했다 . 이것은 음극과 양극 사이에 있는 구성 요소입니다. 전극 사이에서 이온이 흐르도록 도와줄 뿐만 아니라 전자가 배터리가 연결된 전기 회로를 통해 원하는 경로를 따르도록 합니다. 즉, 전자가 전극 사이에서 단순히 튀는 것을 방지하여 스마트폰을 못처럼 죽게 만듭니다.

밀라노 공대(Polytechnic University of Milan)의 지안마르코 그리피니(Gianmarco Griffini)는 기름에서 전해질용 고분자를 얻을 수 있지만 대신 지속 가능한 대안을 찾는 것이 유익할 것이라고 덧붙였습니다.

그는 리그닌을 사용한다는 아이디어가 그와 동료들이 태양광 패널에 재료를 사용하여 실험한 후 생겨났으며 결과는 약간 실망스러웠다고 설명합니다. "리그닌은 갈색이기 때문에 태양 전지에서 얻을 수 있는 효율성은 상대적으로 제한적입니다. 그래서 실제로 약간의 빛을 흡수합니다."라고 그는 설명합니다. 배터리에서는 중요하지 않습니다.

양극 생산을 위해 리그닌을 열처리하여 구성 탄소로 분해합니다. 그러나 자칭 "폴리머 녀석"인 Griffini는 폴리머 형태로 사용하는 것을 선호한다고 말합니다. 이를 염두에 두고 그와 동료들은 실험용 칼륨 배터리에서 이온의 이동을 돕는 젤 폴리머 전해질을 개발했습니다. "실제로 꽤 멋지게 나왔습니다. "라고 그는 말합니다.

이 모든 아이디어의 상업적 실행 가능성은 아직 입증되지 않았습니다. 그러나 Titirici는 이론적으로 전해질의 리그닌 폴리머와 양극의 리그닌 유래 탄소를 사용하는 배터리를 만들 수 있다고 덧붙입니다.

아마도 당신은 올해 초 종이에 기술된 목제 전자 부품에 전력을 공급하기 위해 그것을 사용할 수도 있을 것 입니다. 트리하우스를 위한 완벽한 기술이죠? 아니면 너무 멀리 가고 있습니까?