The Nobel Prize in Chemistry 2019
John B. Goodenough M. Stanley Whittingham Akira Yoshino
The Nobel Prize in Chemistry 2019 was awarded jointly to John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino "for the development of lithium-ion batteries.“
★ 이 글은 스웨덴 왕립과학원 발표 내용에 illustration을 붙여 편집했습니다. (The illustrations are free to use for non-commercial purposes. Attribute ”© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences”)
Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019
They created a rechargeable world
The Nobel Prize in Chemistry 2019 rewards the development of the lithium-ion battery. This lightweight, rechargeable and powerful battery is now used in everything from mobile phones to laptops and electric vehicles. It can also store significant amounts of energy from solar and wind power, making possible a fossil fuel-free society.
☺ 2019 년 노벨 화학상은 리튬이온배터리 개발에 대한 보상입니다. 이 가볍고, 재충전 되는, 강력한 배터리가 이제 휴대 전화에서 랩톱 및 전기 자동차에 이르기까지 여러 용도로 사용됩니다. 또한 화석 연료가 없는 사회를 가능하게 함으로써 태양 에너지와 풍력 에너지로부터 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있습니다.
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The foundation of the lithium-ion battery was laid during the oil crisis in the 1970s. Stanley Whittingham worked on developing methods that could lead to fossil fuel-free energy technologies. He started to research superconductors and discovered an extremely energy-rich material, which he used to create an innovative cathode in a lithium battery. This was made from titanium disulphide which, at a molecular level, has spaces that can house – intercalate – lithium ions.
☺ 리튬이온배터리의 기초는 1970 년대의 석유 위기 때 쌓았습니다. Stanley Whittingham은 화석 연료가 없는 에너지 기술로 이어질 수 있는 방법을 개발하는 일을 했습니다. 그는 초전도체를 연구하기 시작했고 에너지가 매우 풍부한 물질을 발견하여 리튬 배터리에서 혁신적인 음극을 만드는 데 사용했습니다. 이것은 분자 수준에서 리튬 이온을 수용하고 끼워 넣을 수 있는 공간을 지닌 티타늄 디설파이드로 만들어졌습니다.
The battery’s anode was partially made from metallic lithium, which has a strong drive to release electrons. This resulted in a battery that literally had great potential, just over two volts. However, metallic lithium is reactive and the battery was too explosive to be viable.
☺ 배터리의 양극은 부분적으로 전자를 방출하는 강력한 구동력을 가진 금속 리튬으로 만들어졌습니다. 배터리는 문자 그대로 2 볼트 이상의 큰 잠재력을 지녔습니다. 그러나 금속 리튬은 반응성이 커 배터리 폭발 위험성이 큽니다
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(그림 1. ‘70년대 Whittingham 박사가 개발한 리튬 배터리 – 양극에는 lithium 금속을 음극에는 리튬 이온이 삽입된 황화 티타늄 파일로 구성, 2V 생산. 단점은 금속 리튬은 반응성이 커서 폭발 위험성 내재) (image; Johan Jarnestad/The Royal Sweedish Academy)
John Goodenough predicted that the cathode would have even greater potential if it was made using a metal oxide instead of a metal sulphide. After a systematic search, in 1980 he demonstrated that cobalt oxide with intercalated lithium ions can produce as much as four volts. This was an important breakthrough and would lead to much more powerful batteries.
☺ John Goodenough는 음극이 금속 황화물 대신 금속 산화물을 사용해 만들 경우 더 큰 전위를 가질 것으로 예측했습니다. 체계적인 검색 후, 1980 년에 그는 리튬 이온이 삽입된 코발트 산화물이 최대 4 볼트를 생산할 수 있음을 증명했습니다. 이것은 중요한 혁신이며 훨씬 강력한 배터리로 이어질 것입니다.
(그림 2. ‘80년대 Goodenough 교수가 개발한 lithium battery – 음극을 산화코발트로 대체하여 더 강력한 battery(4V) 생산. (image; Johan Jarnestad/The Royal Sweedish Academy) 최근에는 음극에 친환경적인 인산철(LiFePO4)로 대체하였다.
With Goodenough’s cathode as a basis, Akira Yoshino created the first commercially viable lithium-ion battery in 1985. Rather than using reactive lithium in the anode, he used petroleum coke, a carbon material that, like the cathode’s cobalt oxide, can intercalate lithium ions.
☺ Goodenough의 음극을 기본으로 하여 Akira Yoshino는 1985 년에 최초의 상용 리튬이온배터리를 개발했습니다. 양극에서 반응성 리튬을 사용하는 대신, 음극의 코발트 산화물과 같이 리튬이온을 삽입할 수 있는 탄소재료인 석유 코크스를 사용했습니다.
The result was a lightweight, hardwearing battery that could be charged hundreds of times before its performance deteriorated. The advantage of lithium-ion batteries is that they are not based upon chemical reactions that break down the electrodes, but upon lithium ions flowing back and forth between the anode and cathode.
☺ 그 결과 성능이 저하되기 전에 수백 번 재충전할 수 있는 가볍고 내구성이 뛰어난 배터리가 탄생되었습니다. 리튬이온배터리의 장점은 전극을 분해하는 화학반응이 일어나지 않고도 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 앞뒤로 흐른다는 점입니다.
(그림 3. 1985년 Yoshino 연구원(박사)가 개발한 lithium battery – 양극에 금속 리튬 대신 리튬이온을 삽입할 수 있는 탄소가 함유된 석유 코크스를 이용, 폭발 위험성이 없는 상용 battery 완성, 양극에서 전극을 갉아먹는 화학적 반응이 없이 lithium ion만 움직이는 가볍고 수백 번 넘게 재충전할 수 있는 내구성이 있는 battery) (image; Johan Jarnestad/The Royal Sweedish Academy)
Lithium-ion batteries have revolutionised our lives since they first entered the market in 1991. They have laid the foundation of a wireless, fossil fuel-free society, and are of the greatest benefit to humankind.
☺ 리튬이온배터리는 1991 년 처음 시장에 진입 한 이래로 우리의 삶에 혁명을 가져왔습니다. 무선, 화석 연료가 없는 사회의 토대를 마련했으며 인류에게 가장 큰 혜택을 줍니다.
주(註); ▶ lithium은 분자질량이 6인 금속(수소 = 1)으로 가볍고(비중=0.53), 대기 중 반응성이 커서 나트륨 금속처럼 석유 속에 저장한다(물과 접촉하면 격렬하게 반응하여 폭발 위험성 있다). 그러나 이온 (Li+)은 안정적(stable)이다. 가볍기 때문에 compact하게 휴대용에 적합하다. 리튬이온배터리의 장점은 전극을 분해하는 화학반응이 일어나지 않고도 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 흐르면서 수백 번(400–1,200 cycles) 재충전할 수 있는 가볍고 내구성이 뛰어나다.
▶ lithium battery의 전기화학(Electrochemistry)
∙The positive electrode (cathode) ;CoO2 + Li+ + e- = LiCoO2
∙The negative electrode (anode); LiC6 = C6 + Li+ + e-
∙The full reaction (left to right: discharging, right to left: charging) being:
LiC6 + CoO2 = C6 + LiCoO2
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★ 노벨상과 ‘Leave us free’
미국에서 보면 부모(어른들이)가 얘들에게 감 나라 콩 나라 하거나, 토라졌을 때 급히 달래려고 애쓰면 귀엽게 하는 말이 “leave me alone(제발 혼자 좀 있게 내버려 두세요)”이다. 올해 노벨화학상 발표를 보면 흥미롭지만 시사하는 점이 많다.
Lithium battery 분야 개척자인 M. Stanley Whittingham 교수는 1970년대 오일쇼크 당시 석유기업 Exxon 연구원으로 들어가 ‘묻지 마’ 연구(주제에 관계없이 하고 싶은 연구)를 시작했다.
Texas대학교, Austin campus 교수이신 John Goodenough은 1922년생(만 97세)이시다. 그는 Oxford대학교 정년을 넘어서 연구하겠다고 했다가 겨나(?), 정년이 없는 Texas대학교로 옮겼단다(☺ 정말 good enough이시다). 그는 늦게 이 분야 연구에 뛰어들어 Whittingham 교수의 연구를 크게 upgrade 했다.
Akira Yoshino 연구원이 연속으로 일본에서 노벨상을 수상하는 쾌거를 이뤘다. 일본스러운 compact 한 연구 결과로 휴대용 rechargeable battery를 상용화(商用化)했다. 그는 인터뷰에서 “입사 후 10년 성과는 못 냈지만 … 기초과학은 마라톤과 같다.” “머리는 말랑말랑해야 한다. 집착하고 포기하지 않는 자세도 필요하다." 사고의 유연성과 강한 집념을 주문했다고 한다.
작년 Tasuku Honjo 교수의 노벨 생리의학상에 이어 연속 수상이다. 혼조 교수가 들려준 유지경성(有志竟成) (뜻이 있는 곳에 성공이 있다)와 6개의 C 즉 Curiosity, Courage, Challenge, Confidence, Concentration, Continuation과 통한다(제 blog 참조). 일본은 25명의 노벨상 수상에 4명의 기업 연구자가 수상하는 쾌거를 이뤘다.
성과 없는 연구를 내 버려 둬? 설익은 결과물을 독촉하는 연구? 시류(時流)에 따르는 연구? ... 다 좋다. 오늘은 제발 ‘나랏돈은 공짜 돈?’을 잊자.
‘어디 너 맘대로 연구해봐!’하는 연구. 하고 싶은 연구를 지속적으로 지원하고 믿고 기다리는 연구, 실패할 수도 있는 연구, 고집을 꺾지 않는 연구, 뜻밖의 파트너를 만나는(Interdisciplinary) 연구가 필요도 한 때이다.
제발 ‘Leave me free’, ‘Leave me alone’ 하기에는 너무 꿈같은가?
참조; 세 수상자가 개발한 배터리 그림은 blog.naver.com/kykang49/221675562060을 참조 바랍니다.