휘발유 엔진보다 에너지 효율이 높은 전기차 배터리 기술이 나왔습니다. 충전 대신 교체하는 방식이라 '느린 충전 시간' 문제도 해결할 수 있을 것으로 보입니다. 또한 배터리 무게를 줄여 에너지는 더 많이 담고, 폭발 위험성은 더 줄였다고 하는데요.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 휘발유 자동차보다 효율적인 전기차 배터리 시스템을 개발했습니다. 리튬 이온 배터리보다 오래 쓰면서 폭발하지 않는 '알루미늄-공기 흐름 전지' 기술이라고 합니다.
전기차 시장이 커지며 기존 리튬 이온전지의 용량 한계와 느린 충전시간, 무거운 배터리 팩, 폭발 위험성 등 극복할 혁신적인 차세대 전지 개발이 필요했습니다. 다양한 차세대 전지 중 고에너지 밀도를 가진 '금속-공기 전지'가 각광받고 있으며 특히, 이 기술에 쓰이는 알루미늄 전극에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있었습니다.
알루미늄은 체적당 용량이 1세제곱센티미터 당 8.04암페어(Ah)로 매우 높고, 매장량이 풍부하며 폭발하지 않는 특징을 지니고 있습니다.
이번에 개발된 '알루미늄-공기 흐름 전지' 기술은 다양한 금속(연료)을 공기와 반응시켜 전기를 얻는 '금속-공기 전지'의 일종이라고 합니다. 금속-공기 전지는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 커서 차세대 배터리로 주목받고 있는데요. 특히 알루미늄은 가볍고 싸며, 이론적 용량도 리튬보다 크고 폭발하지 않는 게 장점입니다.
알루미늄-공기 흐름 전지는 충전해 사용하는 2차전지가 아니라 방전만 되는 1차전지입니다. 전기차에 적용하면 알루미늄 금속만 교체해 전기를 공급받게 됩니다. 같은 무게의 휘발유와 알루미늄의 실질적 에너지 밀도를 따지면 알루미늄이 월등하다고 합니다. 조재필 교수는 "휘발유 1kg은 실제 자동차에서 1,700Wh의 에너지 밀도를 나타내지만, 알루미늄-공기 흐름 전지에 적용한 알루미늄의 에너지 밀도는 1kg 당 2,500Wh가 된다"고 전했습니다. 이 정도 에너지 밀도라면 한 번 교체에 700km를 달리는 전기차 배터리를 만들 수 있다고 합니다.
하지만 기존 '알루미늄-공기 전지'는 작동 과정에서 알루미늄 부산물이 쌓여 쉽게 성능이 떨어지는 게 단점입니다. 연구팀은 이를 '전해액 흐름'이라는 방식으로 해결해 알루미늄-공기 흐름 전지를 개발했습니다. 전지에 펌프를 도입해 전해액이 흐르게 만들자 부산물이 쌓이지 않아 성능이 유지된 것인데요.
연구진은 높은 전류 밀도를 달성하기 위해 전기 전도도가 높은 은 나노입자를 성장 씨앗으로 삼은 고성능 촉매(은-망간 산화물 나노플레이트 촉매)도 새로 개발했다고 합니다. 이 촉매까지 적용한 알루미늄-공기 흐름전지는 폭발하지 않으면서 에너지 밀도가 커 전기차의 주행거리를 늘릴 것으로 기대됩니다.
또한, 알루미늄-공기 흐름 전지의 방전 용량은 기존 알루미늄-공기 전지보다 17배 증가했습니다. 새로 개발한 은-망간산화물 기반 촉매 역시 기존에 많이 사용하던 백금계 촉매(Pt/C)에 뒤지지 않는 성능을 보였습니다. 은(Silver)은 백금보다 50배 낮은 가격이기 때문에 가격 면에서도 경쟁력을 확보했습니다.
조재필 교수는 "알루미늄은 산업적으로 가장 많이 쓰는 금속이라 소재 수급에 따른 전지가격 문제에서 자유롭다"며 "전기차에 가벼운 알루미늄 금속을 교체하는 방식으로 쓸 수 있을 것"이라고 전망했습니다. 이번 연구는 <네이처 커뮤니케이션즈>에 게재됐습니다.
