스탠리 휘팅엄

스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittham)

스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittham)은 영국 출신 미국 화학자이며 리튬이온배터리 창시자로 1976년 2V의 전류를 출력하는 리튬 이온 배터리를 최초로 개발하였으며 음극과 양극 사이에 이동이 이루어지는 인터칼레이션(Intercalation)이라는 핵심 작동 원리를 밝혀 화석연료 없는 무탄소 사회의 토대를 마련한 공헌으로 2019년 존 구디너프 및 요시노 아키라와 함께 노벨 화학상을 수상하였다.

생애

스탠리 휘팅엄은 1941년 12월 22일 영국 잉글랜드 노팅엄에서 태어났으며 영국 중동부에 위치한 링컨셔에서 유년기를 보냈으며 고등학교 졸업 후 영국 옥스퍼드대학에서 화학을 전공하였으며 1964년 화학과 학사, 1967년 석사, 1968년 박사 학위를 취득했다. 1968부터 1972년 미국 스탠포드대학에서 박사후 연구원 과정을 마치고 석유회사 엑슨(Exxon) 연구개발팀에 입사해 초전도체 연구에 매진했다. 1984년 석유산업 관련 기술개발 회사인 쉴럼버거-돌(Schlumberger-Doll) 연구소장이 되었다. 1988년 뉴욕주립대학교 빙엄턴캠퍼스 화학과 교수로 임명되었으며 현재는 뉴욕주립대학교 빙엄턴캠퍼스 화학과 및 재료공학과 석좌교수이자 재료연구소와 재료 과학 및 공학 프로그램의 책임자이며 빙엄턴(Binghamton)에 위치한 미국 에너지부 북동부 화학에너지 저장센터의 소장을 역임하고 있다.

휘팅엄 교수는 1970년대 오일쇼크와 환경문제가 불거지자 화석연료의 대체 에너지를 위한 기술 개발에 초점이 모아졌다. 석유 및 자동차 회사들은 천연자원인 화석연료보다 재생 가능한 연료에서 얻은 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 연구에 뛰어들었다. 리튬 이온 배터리는 양극(+)과 음극(-)의 두 전극 사이에 전자(e-)가 이동함으로써 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 엑손 연구실에서 배터리 연구를 하던 시절부터 화재 전문가로 꼽혔다. 리튬이온전지가 나오기 전인 당시에 실온에서도 저항이 없는 전기 전달 소재를 찾기 위해 탄탈, 이황화티탄, 칼륨 등 온갖 화학합물질을 섞는 실험을 수차례 거듭했는데, 그 과정에서 화재가 잇달았기 때문이다. 1972년 미국의 석유기업 엑손의 연구실에서 영국의 화학자 스탠리 휘팅엄 박사는 화석연료를 대체할 수 있는 초전도체를 연구하는 과정에서 이황화티타늄으로 최초의 리튬이온배터리를 만드는 데 성공했다. 당시 그가 만들었던 배터리로 할 수 있었던 일은 전구 하나를 겨우 켤 수 있는 수준이었다.

휘팅엄 교수는 엑슨 연구원 재직 당시 가벼운 소재의 금속인 리튬을 음극 소재로 하고 리튬에서 나온 전자를 받는 양극 소재로는 타이태이늄황산화물(titanium disulfide)을 사용했다. 그리고 양극 사이에 이동이 이루어지는 인터칼레이션(Intercalation)이라는 핵심 작동 원리를 밝혔다. 이를 기반으로 1976년 2볼트의 전류를 출력하는 리튬-이온 배터리를 세계 최초로 개발했다. 초기 배터리는 재충전이 가능하지만 점차 충전 기능이 떨어지고 폭발 위험성이 있었지만, 휘팅엄의 초기 연구는 향후 리튬 이온 배터리 개발 및 상용화의 초석을 다졌다는 평가를 받고 있으며 그의 연구는 다른 사람들의 후기 개발을 위해 토대를 마련하였다.

스탠리 휘팅엄은 2019년 재충전 배터리 개발의 공로를 인정받아 노벨 화학상을 수상했다. 노벨위원회는 가볍고 재충전이 가능한 리튬 이온 배터리가 휴대전화, 노트북, 전기차 등에 사용되며 태양 및 풍력 에너지 저장을 가능하게 하여 화석연료 없는 깨끗한 세상의 토대를 마련했다고 언급했다. 그밖에 2018년 미국재료연구협회 주관의 턴불(Turnbull)상, 2015년 노벨상 유력 후보로 알려진 클래리베이트우수연구자(Clarivate Citation Laureates) 선정, 2014년 찰스 스타크 드래퍼(Charles Stark Draper)상 등을 수상했다.

주요 성과

스탠리 휘팅엄의 리튬이온배터리 원리

• 인터칼레이션

리튬이온배터리의 기반은 석유 파동이 일어난 1970년대에 형성되었다. 스탠리 휘팅엄은 화석 연료가 없는 에너지 기술로 이어질 수 있는 방법을 개발하였다. 그는 리튬이온전지의 핵심 원리인 인터칼레이션 전극 (intercalation electrode)의 원리를 발견한 중요한 인물이다. 인터칼레이션은 리튬이온배터리에서 리튬이 흑연층 사이에 삽입되는 현상을 일컫는다. 그는 초전도체를 연구하기 시작했으며 에너지가 매우 풍부한 물질을 발견하여 리튬 배터리에서 혁신적인 음극을 만드는데 사용하였다. 분자 수준에서 리튬 이온을 수용할 수 있는 공간이 있는 이황화티타늄(TIS₂)으로 만들어졌다. 배터리의 양극은 부분적으로 전자를 방출하는 강력한 구동력을 가진 금속 리튬으로 만들어졌다. 이로인해 1976년 2V의 전압을 생성할 수 있는 충전식 배터리가 개발되었다. 그러나 배터리를 반복적으로 오래 사용하였을 때 음극에서 리튬 금속이 흘러나와 양극까지 도달하여 회로의 단락을 초래하며 폭발하는 상황이 발생한다는 단점이 발견되었다.

현황

LG에너지솔루션 이노베이션 포럼 2021

• 2021년 6월 22일 2019년 노벨 화학상을 받은 스탠리 휘팅엄 미국 뉴욕주립대 석좌교수는 "LG에너지솔루션 이노베이션 포럼 2021"에서 강연을 통해 향후 5~10년 동안 리튬 인터칼레이션(Intercalation) 시스템이 지배할 것이라며 이같이 말했다. 휘팅엄 교수는 이날 "배터리 연구, 개발 개요"를 주제로 강연을 진행했다. 휘팅엄 교수는 이 자리에서 안전하고 안정적인 전해질이 필요하다면서도 고체 상태 전해질이 필요한 전력 밀도를 제공할 수 있는지가 관건이라고 했다. 그는 지속 가능한 사회를 위해 배터리를 깨끗하게 재활용하는 기술이 필요하다고 주문했다. 영국 출신인 휘팅엄 교수는 2019년 리튬이온 전지의 핵심 원리인 "인터칼레이션 전극" 원리를 발견해 노벨 화학상을 받았다. 리튬 이온 차세대 배터리 관련 혁신 기술을 주제로 열린 이 날 포럼에는 전문가 8명이 참석해 기술 동향과 전망을 공유했다. 이날 기조 강연은 정근창 LG에너지솔루션 배터리연구소장이 맡았다. LG에너지솔루션인 이번 포럼을 계기로 배터리 소재 신규 사업 기회를 탐색하고 전문가들과 교류를 활성화할 계획이다.

참고자료

• "M. Stanley Whittingham", wikipedia
• 〈스탠리 휘팅엄〉, 《네이버 지식백과》
• 황웅천황, 〈리튬배터리 아버지 휘팅엄 교수 “텍사스 한파로 ESS 더 중요해져〉, 《네이버 블로그》, 2021-02-22
• 원호섭, 〈(Science in Biz) 전기차 시대…'100만마일 배터리'에 사활 건 기업들〉, 《매일경제》, 2020-08-13
• 윤선영, 〈(Biz times) '충전하는 세상' 앞당긴 이 남자〉, 《매일경제》, 2019-11-27
• isaict, 〈노벨 화학상과 리튬이온배터리〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-31
• 김대영, 〈스탠리 휘팅엄 교수 "안전하고 안정적 전해질 필요"…'전력 밀도'도 강조〉, 《이투데이》, 2021-06-22

같이 보기

• 리튬 이온 배터리
• 존 구디너프
• 요시노 아키라

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