금속 공기 배터리

금속 공기 배터리(Metal – Air battery)는 아연, 알루미늄, 리튬 등의 금속을 공기 중 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 차세대 2차전지이다. 배터리 내부에 화학 산화제 대신 안정된 금속이 들어가기 때문에 폭발, 화재 염려가 없고 기존 2차 배터리 보다 에너지 밀도가 훨씬 높다. 충전용량이 리튬이온 배터리의 5~10배에 달하지만 열로 인해 충전된 전기의 3분의 1이 손실되고 전력 저장 기간이 짧은 점 등이 상용화 걸림돌이 되고 있다.

개요

금속 공기 배터리는 음극에 철·아연·마그네슘·알루미늄 등을 사용하고, 양극에는 연료전지의 연구에 의하여 개발된 산소극(酸素極)과 같은 공기극(空氣極)을 사용한 전지를 말한다. 공기 중의 산소를 이용하므로 미리 산소를 넣지 않아도 되어서 가볍고 다른 극의 금속은 싼 물질들이므로 실용성이 높다.

고에너지 밀도 전지로서 주목되고 있다. 공기 중의 산소를 양극의 활성물질(活性物質)로 사용하므로 전지 안에 미리 넣을 필요가 없어서 무게가 가볍다. 또, 음극은 높은 에너지를 지닌 안전하고 값싼 금속을 사용하므로 높은 에너지 밀도가 구성될 가능성이 있다. 전기자동차용 전원으로서 이를 2차 전지화하는 연구가 미국 ·일본 등에서 진행되고 있다. 1차 전지로서의 아연공기전지는 단추형으로 보청기 등에 쓰인다.

원리

양극에서 공기 중의 산소를 이용하여 전자를 얻는 환원반응을 통해 수산화 이온이 생성된다. 양극에서 생성된 수산화 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하게 되고 금속으로 이루어진 음극은 수산화 이온과의 산화반응을 통해 전자를 발생하게 된다. 생성된 전자가 양극으로 이동하여 전류가 흐르고, 전력이 발생한다.

주요 금속 공기 배터리

• 아연공기 전지(Zinc–air battery) : 리튬이온전지를 대체할 것으로 주목받는 차세대 2차전지 중 하나로, 20여년 전부터 연구되어 왔으며, 미군의 군용 배터리로 사용되고 있다. 아연공기전지는 리튬이온 배러리보다 폭발 위험이 적기 때문에 미국, 이스라엘 등에서 군사용으로 사용되는 제품으로서, 그동안 미국 일렉트로 퓨얼셀사가 독점생산해 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.

주변에 아연이 풍부하여 저렴하며 안정성이높은게 장점이다. 이론 전압은 1.65V이며 음극에 아연을, 양극엔 공기중의 산소를 사용하고 전해액은 일반적으로 수산화칼륨(KOH:양잿물)수용액을 사용하는 전지이다.

아연공기전지의 기본적인 화학반응식은 다음과 같다.

• Anode: Zn + 4OH ⁻ → Zn(OH)₄² ⁻ + 2e⁻ (E0 = －1.25 V)
• Fluid: Zn(OH)₄² ⁻ → ZnO + H ₂O + 2OH⁻
• Cathode: 1/2 O ₂ + H ₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ (E0 = 0.40 V pH＝11)

• 전체반응식: 2Zn + O ₂ → 2ZnO (E0 = 1.65 V)

• 리튬 공기 전지

참고자료

• 〈금속공기전지〉, 《두산백과》

같이 보기

• 아연 공기 전지
• 리튬 공기 전지

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