英 원자력 폐기물로 다이아몬드 배터리 개발..美 대학 연구진 "칼륨금속배터리" 개발
값비싼 리튬배터리를 대체하기 위해 전 세계의 과학자들이 힘을 기울이고 있다. 미국 렌셀러공대 연구팀은 칼륨 금속 배터리를 개발했고 영국 브리스톨대 연구팀은 방사성 폐기물을 활용하는 다이아몬드 배터리를 개발했다. 배터리 업계는 거의 반영구로 사용할 수 있다는 다이아몬드 배터리(diamond battery)에 이목을 집중시키고 있다.
7일 영국 블리스톨대 학보인 에피그램과 과학 전문 매체 파퓰러미캐닉 등에 따르면, 브리스톨대학교(University of Bristol)연구팀은 수천년 정도 충전없이 작동할 수 있는 다이아몬드 배터리를 개발했다. 이번 연구는 "고방사능 환경에서 첨단 자율 동력공급 센서 유니트(ASPIRE)" 개발 프로젝트의 하나로 이뤄졌다.
이들은 배터리 원료를 방사성 폐기물을 사용한다. 영국은 흑연 기반의 우라늄 연료봉을 사용해 핵발전소를 가동한 탓에 흑연 관련 방상서 폐기물이 대량으로 발생해 95t 정도의 흑연 블록을 포함해 약 10만t이 쌓여있다. 연구팀은 가동 중단된 발전소를 다이아몬드배터리 생산공장으로 활용할 수 있다고 주장한다.
감속재로 쓴 흑연을 고방사능 영역에 배치하면 탄소가 방사성 동위원소인 탄소-14로 변한다. 탄소는 원자번호 6으로, 그 동위원소 중의 하나가 바로 탄소-14다. 탄소-14를 가스로 추출해 다이아몬드 구조 내에 저장, 이를 통해 전류 생성이 가능하다는 것이다. 탄소-14의 반감기는 5730년인데 이 기간이 배터리 수명이 된다.반감기란 동위원소가 붕괴해 그 원자의 수가 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간이다. 반감기가 지나면 그 방사성 동위원소는 처음에 비해 그 수가 반으로 줄어든다.
다이아몬드 배터리 개발의 장점은 사용된 흑연에서 탄소-14를 추출하는 만큼 방사능 강도가 저하돼 방사성 폐기물 보관비용을 줄일 수 있다는 것을 꼽을 수 있다. 게다가 다이아몬드는 온실가스를 만들지 않고 청정 전기를 생산한다.
둘째 특장점은 거의 무한대로 사용할 수 있다. 탄소-14의 반감기 5730년은 배터리 전력의 50%를 사용하는 데 걸리는 시간이 5730년이 된다는 뜻이다.
스콧 교수는 파퓰러미캐닉에 "흑연 기반의 방사성 폐기물로 만든 다이아몬드배터리의 가장 큰 장점은 별도 충전 없다는 점"이라면서 "충전은 물론 교환과 같은 유지보수도 필요없다"고 강조했다.
앞서 연구팀은 2016년에 니켈의 방사성 동위성인 "니켈-63"을 활용해 다아몬드 배터리 시제품을 제작해 정상 작동을 확인했다. 다이아몬드 배터리 개발을 책임지고 있는 톰 스콧(Tom Scott) 브리스톨대 교수는 "다이아몬드 배터리라는 이름은 니켈을 대상으로 연구한 당시 지은 이름"이라면서 "니켈의 반감기는 100년으로 100년이 지나야 배터리 에너지의 50%가 줄어든다"고 설명했다.
물론 상용화까지 가야할 길은 아직 멀다. 개발된 배터리가 소량의 전류만을 방출하기 때문이다. 즉 전류량을 높일 수 있는 방법을 찾는 게 가장 큰 해결과제로 남아 있다.
에피그램은 "이러한 형태의 연구는 지속 가능한 폐기물 관리를 위한 새로운 문을 연다"면서 "미래를 위해 (원자력발전소)과거를 재활용함으로써 과거 핵에너지의 본향이 새로운 역사를 만들었다"고 평가했다.
