주방에서 주로 사용하며 흔히 ‘은박지’라고 부르는 ‘알루미늄 포일’과 편의점에서 종종 사 먹는 ‘캔음료’는 우리가 일상에서 쉽게 접할 수 있는 ‘알루미늄’이죠. 바로 이 알루미늄이 리튬이온배터리에도 주요 소재로도 쓰이고 있는데요. 오늘은 다양한 분야에서 활약하는 알루미늄의 특징과 여러 쓰임새에 대해 알아보겠습니다.
알루미늄의 특징
알루미늄은 원소기호 ‘Al’로 나타내며 원자번호 13번의 은백색을 띠는 부드러운 금속입니다. ‘Aluminum’이라는 명칭은 ‘백반’을 의미하는 라틴어 Alumen(Alum)에서 유래했습니다. 무게가 가볍고 전성과 연성이 높아 다양한 모양으로 변형이 쉬우며, 또한 상대적으로 높은 열·전기 전도도를 가지고 있죠. 순수한 알루미늄은 공기를 만나면 산화물의 박막이 생기는데, 이를 ‘부동화(passivation)’ 현상이라고 합니다. 표면에 생긴 박막 덕분에 알루미늄은 광택을 잃더라도 내부가 부식되는 것을 막을 수 있습니다.
알루미늄 제련법의 발명
알루미늄은 지각을 구성하는 원소 중 산소, 규소 다음으로 풍부하며, 금속 원소 중에서는 가장 흔한 원소입니다. 산화성이 크기 때문에 산화물 형태로 존재해 왔는데요. 알루미늄은 수산화알루미늄을 주성분으로 하는 철반석(bauxite)에서 정제하여 얻을 수 있습니다. 하지만 오래전에는 암석에서 순수한 알루미늄을 분리하는데 큰 비용이 들었기 때문에 ‘흙 속의 은’이라 불릴 정도로 정말 귀했다고 합니다.
값비쌌던 알루미늄의 가격이 안정화된 것은 ‘홀-에루 공법(Hall–Héroult process)’이라 불리는 ‘전기분해 제련법’이 발명되면서부터인데요. 미국 화학자 ‘찰스 마틴 홀’과 프랑스 화학자 ‘폴 루이 투생 에루’가 각자 연구를 진행한 끝에, 1886년에 전기 화학을 이용한 이 정제기술을 거의 동시에 발견했습니다. 서로 전혀 관계가 없는 두 사람이 같은 해에 태어나 또 같은 해에 알루미늄 제련법을 발견했다니, 정말 흥미롭죠?
알루미늄의 다양한 활용
알루미늄은 그 특성 때문에 다양한 산업에서 원자재로 많이 이용하고 있습니다. 필요한 형태로 쉽게 변형할 수 있어 박이나 철사를 만들기도 하고, 전기와 열이 잘 통해 고압 전선의 재료나 주방 용기를 만드는 데 사용하기도 하죠. 또, 가볍고 잘 부식되지 않는 높은 내구성으로 음료 캔부터 항공기, 선박, 차량의 재료로도 쓰입니다. 알루미늄은 또한 재활용률이 높은 금속인데요. 알루미늄을 생산하는데 드는 에너지보다 재활용에 필요한 에너지가 더 적고 효율적이기 때문에 많은 국가에서 알루미늄 재활용을 권장하고 있습니다.
다양한 쓰임새로 우리의 일상에 편리함을 가져다주는 알루미늄은 현재 리튬이온배터리 제조에서도 중요한 역할을 하고 있는데요. 우선, 삼원계 배터리 NCA와 사원계 배터리 NCMA의 양극재 소재로 사용되며 배터리의 출력 개선에 관여하고 있습니다. 또한, 배터리 제조를 위한 전극 공정에서 양극 집전체로써 요긴하게 쓰이고 있는데요. 바인더를 전극에 골고루 배치하기 위한 코팅 과정에서 양극 슬러리를 알루미늄 포일 위에 얇게 코팅하게 되기 때문이죠.
전기차 시대에 돌입하면서 성능 좋고 가벼운 배터리에 대한 니즈가 점점 더 늘어나고 있는 만큼, 앞으로 배터리의 출력을 개선해 주는 알루미늄의 사용량도 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다. 알루미늄은 다양한 쓰임새로 우리 삶을 편리하게 만들어주고 있는데요. 특히 배터리 분야에서의 활약은 앞으로 더욱 기대해 볼 수 있을 것 같습니다.