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알루미늄 공기전지
알루미늄 공기전지(Aluminium-air battery)는 알루미늄이 물과 반응하여 수산화알루미늄으로 변화될 때, 전기를 발생시키는 원리를 이용한 전지를 말한다. 알루미늄 공기전지는 알루미늄 양극과 촉매 작용을 하는 공기 음극으로 구성된 1차전지다. 2차전지인 리튬이온 배터리처럼 재충전을 할 수가 없다. 반면에 에너지 저장 밀도는 상당히 높다. 따라서 이 전지로만 작동하는 전기자동차가 만들어진다면, 이론적으로는 수천 킬로미터 씩 주행이 가능하다는 계산이 나온다.
알루미늄 공기전지의 개발은 다른 금속 공기 배터리들처럼 1960년대에 이루어졌다. 비교적 이른 시기에 개발됐음에도 불구하고 지금까지 상용화 되지 못한 이유는 이 전지만이 가지고 있는 단점 때문이다. 알루미늄 공기전지에서 전기를 발생시키는 반응을 지속시키려면, 물을 계속 공급해 줘야 한다. 그리고 시간이 지날수록 쌓이는 수산화알루미늄도 제거해야 한다. 따라서 이런 번거로운 점들 때문에 에너지 저장 밀도가 높음에도 불구하고 이 전지는 그동안 널리 사용되지 못했다. [1]
알루미늄 공기전지는 충전 방식이 아니라 교환 방식이다. 금속인 알루미늄을 마치 공기가 들어있는 통조림의 포장용기처럼 활용하기 때문에 교환 방식이 채택됐다. 따라서 전지가 방전되면 전지에 있는 수산화알루미늄을 회수하여 새로운 전지에 들어가는 알루미늄 원료로 재이용된다.
개요[편집]
알루미늄 공기전지는 공기 중 산소와 알루미늄의 반응으로 전기를 생산한다. 모든 배터리 중 에너지밀도가 가장 높지만, 전통적인 전해질을 사용할 때 높은 양극 비용과 부산물 제거 문제 때문에 널리 사용되지 않는다. 주로 군사적인 용도로만 사용을 제한해 왔다.
알루미늄 공기전지는 1차전지이다. 일단 알루미늄 양극이 수성 전해액에 담그고 있는 음극에서 대기 산소와 반응하여 수산화알루미늄 산화물을 형성하면, 배터리는 더 이상 전기를 생산하지 않는다. 그러나 수화된 산화 알루미늄을 재활용하여 만든 새 알루미늄 양극으로 배터리를 기계적으로 충전할 수 있다. 이러한 재활용은 알루미늄 공기 전지가 널리 사용되는 경우에 필수적이다.
알루미늄으로 구동되는 차량은 수십 년 동안 논의되어 왔다. 하이브리드화로 비용이 절감되었으며 1989년에 전기 자동차의 하이브리드 알루미늄 공기/납산 배터리의 도로 주행 테스트가 보고되었다. 알루미늄으로 구동되는 플러그인 하이브리드 미니밴이 1990년 온타리오에서 시연되었다.
2013년 3월, 피너지(Phinergy)사는 특수 음극과 수산화칼륨을 사용하여 330km를 주행하는 알루미늄공기 전지를 사용하는 전기 자동차를 비디오로 시연하였다. 2013년 5월 27일, 이스라엘 채널 10 저녁 뉴스 방송에서는 알루미늄 양극을 교체하기 전에 2,000km(1,200마일)의 범위를 주장하는 피너지 배터리를 뒤에 장착한 자동차를 방영했다.
전기화학[편집]
- 양극 화학 반응은 Al + 3OH⁻ → Al(OH)₃+ 3e⁻ +2.31V
- 음극 화학 반응은 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ +0.40 V
- 총 화학반응은 4Al + 3O₂ + 6H₂O → 4Al(OH)₃ +2.71V
약 1.2V의 전위차가 이러한 반응에 의해 생성되며 실제로 수산화칼륨이 전해질로 사용될 때 달성될 수 있다. 소금물 전해액은 셀당 약 0.7V를 달성한다.
셀의 특정 전압은 음극의 구조와 재료뿐만 아니라 전해액의 구성에 따라 달라질 수 있다.
리튬-공기, 아연-공기, 망간-공기, 나트륨-공기 등 다른 금속들도 비슷한 방법으로 사용될 수 있으며, 일부는 에너지 밀도가 더 높다. 그러나 알루미늄은 가장 안정적인 금속으로 매력적이다.
상용화[편집]
1960년대 이론적 개념이 등장한 알루미늄 공기전지가 과학자들의 외면을 받은 이유는 안전성과 기술 향상 측면에서 그다지 뛰어나지 못한 탓이 컸다. 기술 개발에 투자해도 부산물로 생성되는 수산화알루미늄을 제거하는 방법이 마땅치 않아 투자비 회수가 쉽지 않았다.
그러다 2001년 영국 해군장교였던 트레버 잭슨은 알루미늄 공기전지의 가능성을 타진하기 위한 실험을 했다. 자신이 개발한 알루미늄 공기전지를 테슬라 전기차에 장착할 경우 2400㎞까지 운행이 가능하다고 주장했다. 화재 위험도 없고, 에너지밀도가 높아 굳이 충전하지 않고 교체 사용하면 된다는 논리를 펼쳤다. 충전 없는 1차전지임에도 배터리 내 전력 생산량이 워낙 많기에 가능했던 일이다.
이후 2010년 미국 코넬대의 화학자 린든 아처 교수는 알루미늄 공기전지 내 전자 이동성을 강화하는 방법을 탐색, 실용화에 한층 다가섰다. 폴 브라운 일리노이대 교수로부터 '알루미늄 이온의 전자 운반성이 매우 흥미로운 일'이라는 평가를 받았지만 여전히 실용성 측면에선 리튬이온 배터리에 미치지 못했다.
리튬에 도전하는 알루미늄의 역사를 이어받은 곳은 2014년 이스라엘에서 설립된 에너지 스타트업 피너지(Phinergy)다. 알루미늄 공기전지의 상용화를 위해 팔을 걷어붙였는데, 새로운 촉매를 찾아내 배터리 수명 연장은 물론 재활용 가능성까지 높였다. 유지·관리 방법도 탱크에 1~2회 정도 물을 보충하는 게 고작이어서 '물로 가는 자동차 시대'로 표현되기도 했다.
최근 피너지는 인도 국영석유회사 IOC와 손잡고 알루미늄 공기전지 상용화에 나서기로 했다. 리튬이온 배터리의 두 배에 달하는 주행거리에다 사용 후 재활용이 충분한 만큼 본격적인 시험을 해보자는 합의다. 공기 중 산소가 물, 알루미늄과 반응할 때 나오는 전기를 구동에 사용하고, 알루미늄이 부식되면 새로운 알루미늄과 전해액을 채워 쓰자는 실험이다. 한마디로 배터리 재생과 같은 방식이어서 리튬이온 배터리를 교체하는 것과 다르지 않다는 것이다.
여기서 주목할 점은 기술 도전 파트너로 나선 곳이 정유기업이라는 것이다. 이동수단용 연료 시장이 퇴보할 것이란 전망 아래 대체재를 찾는 방법으로 리튬에 도전하는 알루미늄의 가능성에 동참했다. 인도의 막대한 전기차 시장을 해외 기업들에 뺏기지 않겠다는 정부 의지가 반영됐다.[2]
각주[편집]
- ↑ 김준래 기자, "알루미늄과 공기로 달리는 전기자동차", 《사이언스타임즈》, 2014-06-27
- ↑ 권용주 교수, 〈'알루미늄-공기 배터리' 가능할까〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-26
참고자료[편집]
- "Aluminium–air battery", Wikipedia
- 김준래 기자, "알루미늄과 공기로 달리는 전기자동차", 《사이언스타임즈》, 2014-06-27
- 권용주 교수, 〈'알루미늄-공기 배터리' 가능할까〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-26
같이 보기[편집]
