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금속 공기 배터리
금속 공기 배터리(Metal-Air battery)는 아연, 알루미늄, 리튬 등의 금속을 공기 중 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 차세대 배터리이다. 배터리 내부에 화학 산화제 대신 안정된 금속이 들어가기 때문에 폭발, 화재 염려가 없고 기존 배터리보다 에너지밀도가 훨씬 높다. 충전용량이 리튬이온 배터리의 5~10배에 달하지만 열로 인해 충전된 전기의 3분의 1이 손실되고 전력 저장 기간이 짧은 점 등이 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
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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 배터리를 말한다. 공기 중의 산소를 이용하므로 미리 산소를 넣지 않아도 되어서 가볍고 다른 극의 금속은 싼 물질들이므로 실용성이 높다.
고에너지밀도 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 전지인 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
아연공기전지
아연공기전지(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.
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)
아연공기전지는 기본적으로 알카라인 전지의 구성을 가지고 있으나, 양극에 사용되는 활물질로 공기 중의 산소가 사용되는 차이점이 있다. 양극은 외부로부터 순서적으로 diffusion layer, current collecting layer(집전체), catalytically active layer 3개의 층으로 구성되는데, 그 중 diffusion layer를 통해 공기가 유입되며 전지내부에 있는 용매인 물이 배출되는 것을 막아준다. 내부의 current collecting layer(집전체)는 전류가 공급되는 경로이며 외부로부터 유입된 공기 중에 포함된 산소와 전해질 내의 물이 catalytical active layer에서 만나 수산화이온을 형성하는 반응이 일어난다. 수산화이온이 분리막을 통해 이동하여 아연 음극과 만나게 되어 산화아연을 형성하는 원리이다. 촉매층의 물질로서 일차전지에 사용되었던 이산화망가니즈 또는 유사물질들이 사용된다. 위 반응식에서 이론상 전지전압은 1.65V이지만, 개방회로전압에서 1.45V로 떨어지며, 실제 방전 시에는 1.35V 이하로 공급된다.[1]
리튬공기전지
리튬공기전지는 공기 중 산소를 양극물질로 사용하는 초경량 전지이다. 산소의 산화·환원 반응을 반복하는 것만으로 에너지를 저장한다. 기존 리튬이온 전지보다 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속을 쓰는 리튬이온 전지보다 가볍게 만들 수 있다. 그러나 리튬공기전지는 산소의 산화·환원 과정에서 과전압이 발생해 전지 수명이 급격하게 짧아지는 문제가 있다.
2020년 10월 15일 울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자종합기술원, 미국 브룩헤이븐 국립연구소 공동 연구팀은 차세대 2차전지인 리튬공기전지 상용화의 난제로 지적돼온 수명 저하 문제를 해결했다고 발표했다. 리튬공기전지는 한 번 충전으로 서울~부산 거리의 2.5배인 1,000㎞를 달릴 수 있는 기술이다.
이 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 표지 논문으로 실렸다.[2]
장점 및 활용
금속 공기 배터리는 크게 경제성, 안정성 그리고 성능 부분까지 다양한 장점을 가지고 있다.
- 전지의 성능적 측면 : 높은 에너지 밀도와 높은 전지 기전력을 가지고 있다. 얇은 공기 전극을 양극으로 사용하기 때문에 음극에 들어가는 금속의 양을 늘릴 수 있고 이러한 이유로 단위 질량당 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
- 경제성 & 안정성 : 금속공기전지에 사용되는 기본 소재들은 대부분 자연 중에서 쉽게 구할 수 있는 원소들로 구성되어 있다. 음극에 사용되는 금속으로 아연, 알루미늄, 철 등이 이용되고, 양극에서 산소를 사용하기 위한 공기는 무한대로 사용할 수 있기 때문에 소재 비용이 낮다는 장점을 가지고 있다. 전지 내부에서 반응하는 음극의 금속 물질들의 폭발성이 낮아 굉장히 안전하고 배터리 분리 시에도 안전하게 제거 할수 있다. 또한 알칼리성 전해질을 사용하기 때문에 이산화탄소 배출량도 줄여 친환경적인 전지이다.
이러한 장점들을 가진 금속공기전지는 전지의 용량에 따라 소형 전지는 보청기에, 중형 및 대형 전지로는 원격측정장치, 호출기 등에 사용된다. 또한 전지의 충전이 아닌 전지 교체방식(1차전지)을 통해서 자동차에 적용하는 연구도 진행되고 있다. 더 나아가서 음극의 금속 재료에 대한 부식을 제어 할 수 있는 기술이 발전되면 2차 전지로 사용할 수 있어 다양한 활용이 가능한 충전식 배터리로 이용할 수 도 있다.
상용화
다양한 장점을 가진 금속 공기 배터리가 상용화 되지 않는 이유는 무엇일까?
금속 공기 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만 충전 시 반응이 기존의 전지보다 느리기 때문에 전지의 용량 유지가 낮다는 단점을 가지고 있다. 즉, 전지의 효율성이 떨어진다는 것다.
금속공기전지의 원리를 살펴보면 전지의 효율성을 떨어뜨리는 원인들을 알수 있다. 한정된 공기 주입으로 인해 양극에서 발생하는 과전압, 음극 표면에서의 수소기체 발생으로 제한되는 금속의 산화반응과 양극과 음극에서 비가역적인 물의 생성 반응으로 인한 전해질 내 수분 손질로 인해서 전체적인 전지의 효율이 떨어진다.
이런 문제점을 해결하기 위해서 새로운 촉매 혹은 전극 구조 개선을 통한 양극의 문제점을 개선하고, 전해질 첨가제 투입 또는 양극의 금속을 합금으로 대체하는 등 여러 가지 방법을 이용하여 음극과 전해질에서의 문제점을 해결하려는 노력이 진행 중이다.[3]
각주
참고자료
- 〈금속공기전지〉, 《두산백과》
- 〈아연공기전지〉, 《위키백과》
- 〈리튬공기 전지〉, 《네이버 지식백과》
- LG디스플레이 디플, 〈공기로 에너지를 만들 수 있다고? 금속공기전지〉, 《네이버 포스트》, 2019-08-01
같이 보기
