휘발유 엔진보다 에너지 효율이 높은 전기차 배터리 기술이 나왔다. 충전 대신 교체하는 방식이라 ‘느린 충전 시간’ 문제도 해결할 수 있다. 배터리 무게를 줄이면서, 에너지는 더 많이 담고, 폭발 위험성도 줄였다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영)은 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀이 리튬 이온 배터리보다 오래 쓰면서 폭발하지 않는 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’ 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

알루미늄-공기 흐름 전지는 충전해 사용하는 이차전지가 아니라 방전만 되는 일차전지다. 전기차에 적용하면 알루미늄 금속만 교체해 전기를 공급받게 된다. 같은 무게의 휘발유와 알루미늄의 실질적 에너지 밀도를 따지면 알루미늄이 월등하다.

이번에 개발한 기술은 다양한 금속(연료)을 공기와 반응시켜 전기를 얻는 ‘금속-공기 전지’의 일종이다.

금속-공기 전지는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 커서 차세대 배터리로 주목받는데, 특히 알루미늄에 대한 기대가 크다. 알루미늄은 가볍고, 값싸기 때문이다.

뿐만 아니라 알루미늄은 체적당 용량이 1세제곱센티미터(㎤) 당 8.04암페어시(Ah)로 매우 높고, 매장량이 풍부하며, 폭발하지 않는 특징을 가지고 있다.

현재 ‘알루미늄-공기 전지’는 이론적으로 에너지 밀도가 알루미늄 1킬로그램(kg) 당 8,100와트시(Wh)로 매우 높다.

그러나 심각한 부산물(알루미늄 산화물 및 수소)이 생성되고, 공기극의 활성도가 낮아 실제로 구현되는 에너지 밀도는 1kg 당 1,300Wh에 불과하다. 따라서 부산물 생성을 저감할 혁신적인 신소재를 개발하고, 에너지 밀도를 높여줄 독창적인 촉매와 전지(Cell) 설계가 필수적이다.

알루미늄-공기 흐름 전지의 방전 용량은 기존 알루미늄-공기 전지보다 17배 증가했다. 또 새로 개발한 은-망간산화물 기반 촉매는 기존에 많이 사용하던 백금계 촉매(Pt/C)에 뒤지지 않는 성능을 보였다. 은(silver)은 백금보다 50배 낮은 가격이기 때문에 가격 면에서도 경쟁력을 확보했다.

조재필 교수는 “알루미늄은 산업적으로 가장 많이 쓰는 금속이라 소재 수급에 따른 전지 가격 문제에서 자유롭다”며 “이번에 개발한 시스템은 주행거리 연장형 전기자동차의 동력원과 무정전 전원 공급 장치(UPS)로 적용 가능할 전망이며, 촉매 물질에서의 결함 형성에 따른 산소 환원 반응 활성도를 파악하는 데도 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 13일자에 게재됐다. 연구 수행은 울산광역시청의 지원을 받아 이뤄졌다.