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비교 불가, 극강의 ‘전기차 배터리’ 나왔다UNIST 조재필 교수팀, 효율 높고 폭발없는 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’ 기술 개발
김정문 기자  |  et1@ecotiger.co.kr
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승인 2018.09.14  10:40:44
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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 흐름전지의 모습: 왼쪽에 있는 알루미늄 금속을 연료로 써서 공기와 반응시키면 전기가 발생한다. UNIST라는 글씨가 쓰인 전구 왼쪽에 보이는 장치가 알루미늄-공기 흐름전지의 본체이고, 뒤쪽 플라스틱 장치가 펌프다. 펌프 옆 유리병에는 전해액이 담겨 있다.
조재필 교수팀은 이를 ‘전해액 흐름’이라는 방식으로 해결한 알루미늄-공기 흐름 전지를 개발했다.

전지에 펌프를 도입해 전해액이 흐르게 만들자 부산물이 쌓이지 않아 성능이 유지된 것이다.

알루미늄-공기 전지의 전해액에서는 화학반응이 일어나고 반응결과물도 나온다. 전해액이 흐르지 않은 기존 형태에서는 알루미늄 부산물이 전극에 쌓이지만, 알루미늄-공기 흐름 전지에서는 펌프질이 계속돼 전해액이 흐르면서 알루미늄 부산물의 침전을 막게 된다.

공기를 받아들이는 전극에서 반응을 활성화시키는 고성능 촉매(은-망간 산화물 나노플레이트 촉매)도 새로 개발했다.

이 촉매까지 적용한 알루미늄-공기 흐름 전지는 폭발하지 않으면서 에너지 밀도가 커 전기차의 주행거리를 늘릴 것으로 기대하고 있다. 연구팀이 예상하는 주행거리는 한 번 교체에 700km 이상.

   
▲ 알루미늄-공기 흐름 전지.
제1저자인 UNIST 에너지공학과 박사과정 류재찬 연구원은 “알루미늄 전극의 침전 문제는 ‘전해액 흐름’ 기술로 극복하고, 공기 전극에는 고성능 촉매를 적용해 고에너지 밀도를 달성했다”며 “새로운 촉매가 안정적으로 높은 활성도를 보이는 원리도 원자 단위의 투과전자현미경으로 규명했다”고 설명했다.

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. 

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