금속공기전지 란?

우리는 항상 공기로 숨을 쉬며 살죠. 또, 공기는 우주로부터의 각종 해로운 빛을 차단하여 주죠. 식물 광합성에도 공기가 필요하고요. 그런데 최근 공기의 또 다른 활용법을 발견했습니다. 바로  공기를 활용한 전지, 금속 공기 전지입니다. 이  공기 전지는 월스트리트 저널이 선정한  5 대 미래기술 의 하나로 꼽혔고요, 최근에는 전기자동차 제조사로 유명한  테슬라 가 차세대 전지로 개발 중라고 발표 해 또 한 번 주목받기도 했죠. 오늘은 금속 공기 전지는 무엇인지, 그 특성과 연구 동향에 대해 살펴보겠습니다.

 

전지가 작동하기 위해서는 음극과 양극이 필요합니다. 기존의 전지들은 음극과 양극에 금속, 탄소 등의 물질을 활용해왔는데요, 금속공기전지의 경우에도 음극으로 리튬, 아연, 알루미늄 등을 쓰는 것은 비슷하지만, 다른 점이 하나 있습니다. 바로 양극으로 공기 중의 산소를 이용한다는 것입니다. 즉 음극에 철·아연·마그네슘·알루미늄 등을 사용하고, 양극에는 연료전지 연구에 의해 개발된 산소극과 같은 공기극 (空氣極 )을 사용 하는 것이죠. 금속을 공기 중에 놓아두면 산소와 반응하여 녹이 슬기도 하는데요. 이렇게 산소와 반응하는 금속의 원리를 이용해 전지를 만든 겁니다.

 

이런 금속공기전지는 공기를 사용하기 때문에 몇 가지 장점이 있습니다. 첫 번째는 에너지밀도가 매우 높다는 점입니다. 즉, 동일한 무게에 대해 훨씬 많은 전기를 저장할 수 있는 거죠. 산소를 이용하니까 양극에 넣어야 할 반응물질의 무게를 거의 0으로 낮출 수 있기 때문입니다. 아연공기전지의 경우, 에너지밀도가 현재 널리 상용화된 리튬이온 전지의 2배 이상이고, 리튬공기전지는 10배 이상도 가능 한데요. 이 기술이 상용화된다면 스마트폰을 한 번 충전으로 일주일을 사용 할 수 있게 됩니다.

 

두 번째는  낮은 가격 입니다. 양극 반응물질이 필요하지 않고, 음극에도 가격이 낮은 아연 등을 활용하게 되면 기존 리튬이온 전지 대비 10분의 1로 제작단가를 낮출 수 있고요. 마지막으로  안정성 도 뛰어납니다 . 기존 납축전지나 리튬이온 전지 대비 폭발성이 낮아서 사람이 직접 탑승하거나, 휴대하는 기기에 탑재하기 유리합니다.

 

그렇다면 이런 금속 공기 전지는 어디에 쓰일 수 있을까요? 금속공기전지의 상용화를 가장 기다리고 있는 산업은 바로  전기차 입니다. 현재 전기차들에 실려 있는 리튬이온 전지는 가격이 높고, 무게가 많이 나가서 충분한 양의 전지를 탑재하고 있지 못합니다. 이에 따라서 가솔린 엔진 차량에 비해서 주행거리가 짧다는 치명적인 단점을 갖고 있는데요. 일본의 신에너지 종합개발기구인 NEDO에 따르면 본격적인 전기자동차 보급에는 500km 이상의 주행거리가 필요하고, 기존 리튬이온전지 대비 획기적인 에너지 밀도의 향상이 필요하다고 합니다. 금속공기전지가 탑재된다면, 기존 가솔린차 이상의 주행거리를 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 알루미늄 금속공기전지의 경우, 한번 충전으로 최대 1,600km까지 주행이 가능하다는데요. 이정도면 서울-부산도 왕복이 가능한 거립니다. 금속공기전지가 짧은 주행거리라는 전기차의 한계를 극복할 수 있는 구세주가 될 수도 있습니다.

 

또 다른 분야는  무인기 및 무기분야 입니다. 에너지밀도가 높고 안정적이라는 특성을 살려, 무인기, 개별 병사의 운용 전원 등 장시간의 사용이 요구되는 무기체계에 적용이 가능합니다. 특히, 군사용 잠수함에 유용할 듯한데요. 디젤 방식의 잠수함도 전투 시에는 소음 차단을 위해 엔진이 아닌 모터와 전지를 이용하여 거동하죠, 금속공기전지를 활용한다면, 적에게 노출되지 않고 더 은밀한 거동이 가능합니다.

 

사실 금속공기전지가 상용화되기 위해서는 몇 가지 난관을 극복해야 합니다. 바로  충방전을 거듭할수록 전지의 성능이 급속히 저하 된다는 점입니다. 가장 중요한 원인으로는 충방전시 양극에 불필요한 물질들이 생성되어, 정작 접촉해야 할 산소가 차단된다는 점인데요. 이를 극복하기 위해 한국전기원 구원에서는 양극에 적용되는 다양한 촉매들이 개발되고 있습니다. 산소는 용이하게 출입하면서도, 전극에 불필요한 물질들이 생성되지 않도록 코발트 나노분말 등을 이용한 촉매 개발이 활발히 이루어지고 있고요 최근 자체 개발한 양극과 음극을 탑재하여 에너지 밀도가 세계 최고 수준인 아연금속 전지를 개발하기도 했습니다. 공기 중의 산소를 이용해 음극 반응물질을 필요 없게 만든 금속 공기 전지! 이처럼 생각이 막힐 때는 전혀 새로운 관점에서 접근해 볼 필요가 있을 것 같습니다. 등잔 밑이 어둡다는 말이 있죠. 우리 주변의 공기를 이용한 금속 공기 전지처럼, 우리의 주위의 사람, 생각, 물질들이 해답이 될 수 있을 것 같으니까요. 감사합니다.