단 며칠 만에 배터리 리튬의 약 70%를 대체할 수 있는 재료를 Microsoft가 발견

리튬이온 배터리는 현대 사회에서 스마트폰이나 전기자동차 등에 널리 사용되는 반면 파열과 화재로 이어질 위험성이 있습니다. 2024년 1월 9일 Microsoft와 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL)는 공동으로 기존의 리튬이온 전지보다 파열하기 어려울 가능성이 있는 새로운 고체 전해질을 이용한 배터리 재료를 발견했다고 발표했습니다. 이번 발견에는 Microsoft의 양자컴퓨팅 서비스 'Azure Quantum Elements'가 사용되었습니다.

Microsoft Azure Quantum and PNNL join forces to accelerate scientific discovery - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=oWaLTXTSR_A

How Microsoft found a potential new battery material using AI - The Verge
https://www.theverge.com/24027031/microsoft-new-solid-state-battery-material-ai

How Microsoft found a potential new battery material using AI

Microsoft finds new material to replace lithium in batteries using AI | Windows Central
https://www.windowscentral.com/microsoft/microsoft-leverages-ai-to-identify-a-new-material-that-can-potentially-reduce-the-use-of-lithium-in-batteries-by-70

Microsoft leverages AI to identify a new material that can potentially reduce the use of Lithium in batteries by 70%

현시점에서 널리 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질이기 때문에 에너지 전도에 뛰어나지만 파열되어 화재를 일으킬 수 있습니다. 또한 리튬이온 배터리 수요가 확대됨에 따라 다양한 제조업체들이 배터리 공장을 건설하고 있지만 리튬이온 배터리 생산에는 많은 양의 물과 에너지가 필요하기 때문에 환경에 악영향을 미쳤습니다.

또한 미국 에너지부에 따르면 리튬이온 전지의 수요는 2030년까지 최대 10배 높아질 가능성이 있다고 합니다. 따라서 과학자들 사이에서는 리튬 사용량이 적은 차세대 배터리의 개발이 진행되고 있습니다.

2023년 Microsoft는 PNNL의 연구팀에 고성능 계산(HPC)과 양자컴퓨팅 기술, AI를 통합한 플랫폼인 Azure Quantum Elements(AQE)를 제공했습니다.

PNNL의 연구팀은 AQE에게 리튬 사용량이 적은 전지의 재료는 어느 것인지 묻자 AQE는 즉시 3200만 가지의 후보를 제안했습니다. 그 후 연구팀은 제안된 후보들 중에서 안정적으로 사용할 수 있는 약 50만 가지의 재료를 선별했습니다.

또한 연구팀은 각 재료가 에너지를 얼마나 전도하는지 추측하고 각 재료 내에서 원자와 분자가 어떻게 움직이는지를 시뮬레이션했습니다. 또한 동시에 비용과 입수의 용이함을 포함하여 각 후보가 얼마나 실용적인지 추측했습니다.

연구팀에 의한 선정의 결과, 최종적으로 23가지로 배터리 재료의 후보를 좁히는 것에 성공했습니다. 3,200만 가지의 후보를 제안받고 23가지로 좁히는 데 걸린 시간은 불과 80시간이었습니다. PNNL의 직원 과학자 겸 재료과학 그룹리더인 비자이 무르게산 씨는 “3200만 가지의 자료를 인간의 수작업으로 조사하려고 하면 아마 20년 이상을 필요로 하므로 이번 발견은 AI 그리고 AQE 없이는 이뤄지지 않았다”고 밝혔습니다.

연구팀은 최종적으로 남은 23가지의 후보 중에서 배터리로 사용할 수 있는 가능성이 높은 후보를 하나 합성하여 테스트를 실시했고 제조된 배터리를 이용하여 전구나 시계에 전력을 공급하는 데 성공했습니다.

이번에 제조된 배터리에는 기존의 리튬 이외에 나트륨이 사용되었습니다. Microsoft에 의하면 이번에 발견된 신소재는 기존의 리튬이온 전지에 비해 리튬 함유량을 최대 70% 삭감할 수 있고 액체 전해질인 리튬이온 전지와 달리 고체 전해질이어서 안전성이 향상되었다고 합니다.

한편 고체 전해질 배터리는 액체 전해질의 배터리에 비해 에너지 전도 성능이 떨어지고 이번에 발견된 재료는 연구팀에 당초 예측보다 에너지 전도 성능이 낮다는 점에서 향후 테스트와 미세 조정이 이루어질 예정이어서 이번에 발견된 재료를 이용한 배터리가 시장에 등장하는데 시간이 걸릴 것으로 보입니다.

Microsoft Research의 Microsoft Quantum – Redmond(QuArC) 그룹리더인 크리스타 스보어 씨는 “AI와 AQE를 사용함으로써 지금까지 250년 필요했던 화학재료 연구를 불과 20년으로 압축할 수 있다”고 주장했습니다.