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UNIST, 신개념 고에너지 알루미늄 배터리 개발

발행일2018.09.13 18:00

휘발유 엔진보다 에너지 효율이 높은 전기차 배터리 기술이 나왔다. 충전 대신 교체하는 방식이라 '느린 충전 시간' 문제도 해결할 수 있다. 배터리 무게를 줄이면서, 에너지는 더 많이 담고, 폭발 위험성도 줄였다.

UNIST(총장 정무영)는 조재필 에너지 및 화학공학부의 교수팀이 휘발유 자동차보다 효율적인 전기차 배터리 시스템을 개발했다고 13일 밝혔다. 리튬 이온 배터리보다 오래 쓰면서 폭발하지 않는 '알루미늄-공기 흐름 전지' 기술이다.

알루미늄-공기 흐름 전지는 충전해 사용하는 이차전지가 아니라 방전만 되는 일차전지다. 전기차에 적용하면 알루미늄 금속만 교체해 전기를 공급받게 된다.

Photo Image<알루미늄 금속 덩어리의 모습>

같은 무게의 휘발유와 알루미늄의 실질적 에너지 밀도를 따지면 알루미늄이 월등하다. 휘발유(가솔린)의 이론적인 에너지 밀도는 1kg 당 1만 3000Wh로 높지만 실제로 엔진을 구동시키는 과정에서 에너지 손실이 크기 때문에 실질적 에너지 밀도는 1700Wh로 줄어든다. 반면 알루미늄-공기 흐름 전지에서 알루미늄 금속은 1kg 당 2541Wh의 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

이 기술은 다양한 금속(연료)을 공기와 반응시켜 전기를 얻는 '금속-공기 전지'의 일종이다. 금속-공기 전지는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 커서 차세대 배터리로 주목받는데, 특히 알루미늄에 대한 기대가 크다.

알루미늄은 가볍고, 값싸며, 이론적 용량도 리튬보다 크다. 폭발하지 않는다는 장점이 있기 때문이다.

하지만 기존 '알루미늄-공기 전지'는 작동 과정에서 알루미늄 부산물이 쌓여 쉽게 성능이 떨어진다. 연구팀은 이를 '전해액 흐름'이라는 방식으로 해결한 알루미늄-공기 흐름 전지를 개발했다. 전지에 펌프를 도입해 전해액이 흐르게 만들자 부산물이 쌓이지 않아 성능이 유지된 것이다.

알루미늄-공기 전지의 전해액에서는 화학반응이 일어나고 반응결과물도 나온다. 전해액이 흐르지 않은 기존 형태에서는 알루미늄 부산물이 전극에 쌓이지만, 알루미늄-공기 흐름 전지에서는 펌프질이 계속돼 전해액이 흐르면서 알루미늄 부산물의 침전을 막게 된다.

Photo Image<조재필 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수>

공기를 받아들이는 전극에서 반응을 활성화시키는 고성능 촉매(은-망간 산화물 나노플레이트 촉매)도 새로 개발했다. 이 촉매까지 적용한 알루미늄-공기 흐름 전지는 폭발하지 않으면서 에너지 밀도가 커 전기차의 주행거리를 늘릴 것으로 기대된다.

조재필 교수는 “알루미늄은 산업적으로 가장 많이 쓰는 금속이라 소재 수급에 따른 전지 가격 문제에서 자유롭다”며 “전기차에 가벼운 알루미늄 금속을 교체하는 방식으로 쓸 수 있을 것”이라고 말했다.

울산광역시의 지원을 받아 진행한 이번 연구는 13일 세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.

울산=임동식 기자 dslim@etnews.com

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