아연공기전지

공기아연전지(zinc-air cell , 空氣亞鉛電池)는 음극은 아연, 양극은 공기 중의 산소를 이용한 차세대 전지이다. 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 독점생산해 왔다.

공기아연전지는 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.

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

개요

공기아연전지는 아연 금속을 음극으로, 공기 중 산소를 양극으로 쓰는 2차전지다. 대기 중의 산소가 전지의 공기극을 통해 전해액과 혼합되어 있는 아연과 반응해 작동되는 공기전지의 일종이다. 전해액으로는 수산화칼륨 수용액이 사용된다.

19세기 말에서 20세기 초에 걸쳐 거치형 공기전지가 개발되어 항로표지용 전원이나 각종 통신기기에 사용되며, 단추형은 의료기(보청기)용으로 사용되고 있다.

공기아연전지는 양극에 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 상대적으로 음극에 많은 양의 아연을 채울 수가 있어 질량 단위당 에너지 밀도가 높다. 그러므로 크기는 작아도 용량이 매우 큰 것이 특징이다. 또 자기 방전(放電)이 적어 전지의 용량을 다 소비할 때까지 전압이 일정하게 유지된다.

전기생성 과정에서 발생하는 산화아연은 독성(毒性)이나 폭발 위험성이 전혀 없고, 지구 상에 풍부한 아연과 공기를 사용하기 때문에 환경 친화적이다. 귀금속 촉매를 사용하지 않아 백금을 사용하는 메탄올 연료전지보다 생산비용이 저렴하다.

역사

1868년 르클랑셰가 제작한 전지의 일부는 철도 신호와 전신기의 전원용으로 사용되었다. 이 전지의 구성은 아말감화된 아연을 음극으로 사용하고 양극으로는 카본분말과 이산화망간의 혼합물을 사용하였다. 이것들을 항아리에 넣은 다음, 전해액인 NH₄Cl수용액을 붓고 전지를 제작하였다. 전지를 사용하는 과정 중에 르클랑셰는 전해액이 항아리의 절반가량 채워져 양극의 윗부분이 습한 상태로 유지되었을 때가 전해액으로 완전히 잠겼을 때보다 전지의 성능이 우수하다는 사실을 발견했다. 이는 대기가 양극에 어떠한 영향을 미친다는 것을 의미하였으며, 이와 같은 현상으로부터 르클랑셰는 무의식적으로 공기아연전지를 발명하였다. 또한, Maiche는 르클랑셰가 만든 전지에 이산화망간을 제거하고 Pt를 카본분말에 첨가함으로써 최초로 순수한 공기아연전지를 발명하였다. 1932년 Heise 등은 최초로 알칼리 전액을 사용한 공기아연전지를 제작하였는데 파라핀왁스를 다공성 공기전극의 탄소분말에 소량 코팅시켜 전해액이 공기전극을 완전히 적셔지고, 범람(flooding)현상을 어느 정도 방지 할 수 있었다. 이런 형태의 전지가 미국의 Union Carbide Company에 의해서 상품화되었고 이 전지의 공기전극은 외부의 공기가 전극으로 유입될 때 제약을 받아 상대적으로 낮은 방전 전류에서만 성능을 발휘할 수 있었다. 즉, 이 전지는 파라핀왁스로 탄소 분말을 코팅한 결과, 저 전류 방전에서만 효과적이었고 고 전류 방전에서는 전해액에 접하고 있는 공기전극의 세공 내 산소가 결핍되면 전해액은 공간 내로 흘러서 전극을 범람 시키는 단점을 갖고 있었다. 1950년 경에 미국의 National Carbon Company는 보청기전원용 소형 공기아연전지를 개발하여 상품화했다. 이 전지의 전해액은 고정화된 상태로 사용되었으며 vinyl plastic case로 조립되었고 air hole은 접착성 tape로 밀봉하여 사용할 때에 제거하도록 고안되었다. 용량은 400mAh로 상품화된 최초의 공기아연 전지로 기록 되었다.

원리

공기아연전지는 양극에서 공기에 있는 산소가 물과 반응해 환원하고, 음극에서는 아연이 산화아연으로 산화하면서 전자를 내놓는 원리다. 환원은 전자와 결합하는 반응이고, 산화는 전자를 내놓는 반응이다.

공기아연전지의 기본적인 화학반응식은 다음과 같다.

• 양극: Zn + 4OH⁻ → Zn(OH)₄²⁻ + 2e⁻ (E₀ = －1.25 V)
• 유체: Zn(OH)₄²⁻ → ZnO + H₂O + 2OH⁻
• 음극: 1/2 O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ (E₀ = 0.40 V pH＝11)
• 전체 반응식: 2Zn + O₂ → 2ZnO (E₀ = 1.65 V)

구성

공기아연전지는 기본적으로 알카라인 전지의 구성을 가지고 있으나, 양극에 사용되는 활물질로 공기 중의 산소가 사용되는 차이점이 있다. 양극은 외부로부터 순서적으로 확산층(diffusion layer), 집전체(current collecting layer), 촉매활성층(catalytically active layer) 3개의 층으로 구성되는데, 그 중 확산층을 통해 공기가 유입되며 전지내부에 있는 용매인 물이 배출되는 것을 막아준다. 내부의 집전체는 전류가 공급되는 경로이며 외부로부터 유입된 공기 중에 포함된 산소와 전해질 내의 물이 촉매활성층에서 만나 수산화이온을 형성하는 반응이 일어난다. 수산화이온이 분리막을 통해 이동하여 아연 음극과 만나게 되어 산화아연을 형성하는 원리이다. 촉매층의 물질로서 1차전지에 사용되었던 이산화망간 또는 유사 물질들이 사용된다. 위 반응식에서 이론상 전지전압은 1.65V이지만, 개방 회로전압에서 1.45V로 떨어지며, 실제 방전 시에는 1.35V 이하로 공급된다.

특성

화석연료의 사용으로 인하여 생성된 질소산화물이나 이산화탄소 등이 지구 온난화 현상의 주범으로 지목되면서부터 친환경 에너지에 관심이 집중되고 있다. 하지만 풍력, 파력, 지열, 태양에너지 등은 기존의 화석연료에 의한 전력을 대체하기에는 현실적인 한계가 있다. 따라서 친환경적이면서 현재의 에너지시스템을 유지할 수 있는 연료전지 분야가 대두되고 있다. 연료전지는 산화 가능한 화학물질인 수소, 알코올, 수소화합물, 금속 등의 산화반응을 통해서 에너지를 생산하는 방식의 전기화학전지로서 오염물질이 거의 배출되지 않는 청정한 차세대 에너지원으로의 유용성이 높기 때문에 전극 물질의 개발이나 구조 개선 등을 통하여 효율을 개선하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 수소를 연료로 사용하는 대부분의 연료전지는 수소를 제조하는 비용 문제가 걸림돌로 작용하고 있다. 이에 비해서 금속공기전지는 금속을 연료로 사용하기 때문에 수소연료전지에 비해서 가격이 저렴하고 출력 밀도가 높고 수용성의 전해질을 사용하기 때문에 화학안정성 면에서 우수한 것으로 알려져 있다. 금속공기전지 중에서도 아연금속 공기전지(이하 ZAFC)는 미국의 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)에서 최초 개발되었고 미국의 power air, 중국의 powerzinc(博信电池), 그리고 이스라엘의 electric fuel사에서 주도하고 있다. ZAFC는 기체 및 액체를 연료로서 사용하는 다른 연료전지와는 달리 금속아연을 연료로 사용한다. 아연과 전해질을 공기(산소)와 전기화학반응시켜 발생하는 전기를 활용하는 것인데 대기환경 오염의 주범인 이산화탄소가 생성되지 않고, 금속인 아연의 전자 발생률이 높기 때문에 타 연료전지에 비하여 출력 밀도가 높다. ZAFC는 다른 연료전지와 기존의 리튬 2차전지, Ni/Cd전지, 연축지에 비해 에너지 고밀도이며, 탄화수소를 개질하여 이산화탄소 배출하는 일부 다른 연료전지 및 유기 전해질을 사용하는 리튬전지와 비교해 수용성 전해질을 사용하므로 안전성 면에서도 뛰어나다. ZAFC는 백금을 사용하는 PEMFC(고체고분자형연료전지)에 비하여 가격이 저렴하고, 수소등의 폭발성 가스를 사용하지 않기 때문에 상대적으로 안정된다고 말할 수 있다. 또한, ZAFC는 cathode의 재활용이 가능하며 대기 중의 산소가 일정하게 cathode의 기공을 통해 공금되어 Zn입자가 모두 ZnO로 산화되기까지 발전이 가능하다. ZAFC는 이론적으로 OCV가 1.65V로서 여타 연료전지에 비하여 에너지밀도가 상대적으로 높다고 할 수 있다.

참고자료

• 〈아연공기전지〉, 《위키백과》
• 〈공기아연전지〉, 《두산백과》

같이 보기

• 리튬공기전지
• 리튬이온 배터리

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