공기전지

공기전지

공기전지(air cell, 空氣電池)는 화학전지의 일종으로, 양극에 활성 탄소, 음극에 아연을 사용하고, 전해액에는 염화 암모늄(NH4Cl)을 사용하는 것이라든가, 가성소다(NaOH)를 사용하는 것이 있다. 공기 중의 산소를 감극제로서 이용하는 습전지로, 염화 암모늄을 사용하는 것에는 건전지형도 있다. 기전력은 1.1~1.45V로, 철도용이나 전화용이 있다.

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개요

공기전지는 전지 내에서 반대 방향의 기전력이 일어나는 것을 방지하기 위하여 복극제(復極劑)로 공기를 사용한 전지이다. 대표적인 것은 알루미늄 공기전지로, 값이 싸고 기전력도 일정한 장점이 있다. 이를 지속적으로 사용하려면 물과 알루미늄을 보충해주면서 수산화알루미늄을 제거해주어야 한다. 다공질(多孔質)의 탄소를 양극(陽極)으로 하며, 이 속에 녹아 있는 산소가 일부 분해해서 유리(遊離) 산소로서 작용하기 때문에 복극작용이 일어난다. C│NH₄Cl 또는 NaOH│Zn의 구조를 가진다.

이 전지는 프랑스의 페리(C.F暴ry)가 발명한 것으로, 기전력이 1.45∼1.50V이며, 다니엘 전지나 랄랑드 전지보다 특성이 좋고 경제적이다. 50mA 정도의 비교적 소형인 전지로서 단속적(斷續的)으로 방전시키기에 적합하기 때문에 전화 전신에 사용된다.

구조는 아래쪽에 아연판(亞鉛板), 그 위에 펠트 등의 절연체(絶緣體)를 사이에 두고 탄소양극(炭素陽極)이 있고, 상부는 공기 중에 노출되어 있다. 보청기 등에는 금속 공기전기가 쓰이기도 한다.

특히 알루미늄 공기전지는 금속과 대기로부터의 습기찬 공기를 연속적으로 필요로 하는 전지와 연료전지의 혼합 형태이다. 이 전지에서는 공기와 수산화나트륨 용액이 전극 주위를 흐른다. 전지가 작동하면 알루미늄과 물이 소비되고, 수산화알루미늄이 생긴다. 따라서 주기적으로 알루미늄을 교체하고, 물을 넣어야 하며, 생성된 수산화알루미늄을 제거해야 한다. 일반적으로 약 220㎏ 정도 무게의 알루미늄-공기전지를 소형 승용차에 사용하면 알루미늄을 교체할 때까지 약 4800㎞를 달릴 수 있다. 그러나 400㎞마다 물 22ℓ를 넣어 주고, 생성된 수산화알루미늄을 제거해야 한다.

분류

아연공기전지

음극은 아연, 양극은 공기 중의 산소를 이용한 차세대 전지이다. 공기아연전지라고도 한다. 20여년 전부터 연구되어 왔으며, 미군의 군용 배터리로 사용되고 있다. 공기아연 전지는 현재 주로 사용되는 리튬이온 배터리보다 5배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있고, 폭발 위험성도 적기 때문에 미국, 이스라엘 등에서 군사용으로 사용되는 제품으로서, 그동안 미국 일렉트로 퓨얼셀사가 독점 생산해 왔다.

아연공기전지는 전극물질인 아연 금속이 방전됨에 따라 표면부터 생성되는 수산화아연이 저항으로 작용한다. 이 때문에 전지 성능이 저하되고 부피가 팽창해 아연 분말 슬러리의 유동성을 저해해 전지의 성능이 떨어지는 단점이 있다.

1차전지는 보통 보청기 등에 사용되며, 2차전지는 기계적 충전 방식, 또는 전기적 충전 방식으로 제품화되어 전기자동차 등에 응용된다.

리튬공기전지

리튬공기전지는 리튬과 산소의 화학반응을 이용해 에너지 효율을 높인 배터리이다. 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 신기술이다. 스마트폰이나 전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리보다 성능이 좋아 '차세대 꿈의 배터리'라고도 불린다. 리튬이온 배터리의 에너지 출력이 85kWh인 데 반해 리튬공기전지는 150kWh로 2배 정도 높다. kWh당 생산 비용은 리튬이온 배터리가 650달러, 리튬에어 배터리가 100달러로 약 6배 저렴하다. 또한 충전을 위해 금속 물질을 이용하는 리튬이온 배터리와 달리, 리튬공기전지는 금속 물질을 사용하지 않아 자연스럽게 에너지를 발생시킬 수 있다.

알루미늄 공기전지

알루미늄 공기전지란 알루미늄이 물과 반응하여 수산화알루미늄으로 변화될 때, 전기를 발생시키는 원리를 이용한 전지를 말한다. 알루미늄 공기전지는 알루미늄 양극과 촉매 작용을 하는 공기 음극으로 구성된 1차전지다. 2차전지인 리튬이온 배터리처럼 재충전을 할 수가 없다. 반면에 에너지 저장 밀도는 상당히 높다. 따라서 이 전지로만 작동하는 전기자동차가 만들어진다면, 이론적으로는 수천 킬로미터 씩 주행이 가능하다는 계산이 나온다.

알루미늄 공기전지의 개발은 다른 금속-공기 전지들처럼 1960년대에 이루어졌다. 비교적 이른 시기에 개발됐음에도 불구하고 지금까지 상용화 되지 못한 이유는 이 전지만이 가지고 있는 단점 때문이다.

알루미늄 공기전지에서 전기를 발생시키는 반응을 지속시키려면, 물을 계속 공급해 줘야 한다. 그리고 시간이 지날수록 쌓이는 수산화알루미늄도 제거해야 한다. 따라서 이런 번거로운 점들 때문에 에너지 저장 밀도가 높음에도 불구하고 이 전지는 그동안 널리 사용되지 못했다.

참고자료

• 〈공기전지〉, 《두산백과》
• 〈공기 전지〉, 《전자용어사전》
• 〈空气电池〉, 《百度百科》
• 김준래 기자, "알루미늄과 공기로 달리는 전기자동차", 《사이언스타임즈》, 2014-06-27

같이 보기

• 아연공기전지
• 알루미늄 공기전지

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