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전기차, 배터리 한 번 교체로 700km 달린다...알루미늄-공기 흐름 전지 개발

"이 정도 에너지 밀도라면 한 번 교체에 700km를 달리는 전기차 배터리를 만들 수 있다. 휘발유 1㎏은 실제 자동차에서 1700와트시(Wh)의 에너지 밀도를 나타내지만, '알루미늄-공기 흐름 전지'에 적용한 알루미늄의 에너지 밀도는 1kg당 2500Wh가 되기 때문이다."
 
울산과학기술원(UNIST)이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지. 충전식이 아닌 교체식으로, 알루미늄 금속만 교체해 지면 배터리 시스템이 기능하는 것이 가능하다. 알루미늄-공기 흐름 전지는 휘발유와 리튬-이온 전지보다 에너지 밀도가 높은 2500Wh/kg를 보였다. 전기차가 700km를 이동할 수 있는 거리다. [UNIST]

울산과학기술원(UNIST)이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지. 충전식이 아닌 교체식으로, 알루미늄 금속만 교체해 지면 배터리 시스템이 기능하는 것이 가능하다. 알루미늄-공기 흐름 전지는 휘발유와 리튬-이온 전지보다 에너지 밀도가 높은 2500Wh/kg를 보였다. 전기차가 700km를 이동할 수 있는 거리다. [UNIST]

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수 연구진이 휘발유 자동차 엔진보다 효율적인 전기차 배터리 시스템을 개발했다. 리튬 이온 배터리보다 오래 쓰면서 폭발하지 않는 '알루미늄-공기 흐름 전지'다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 13일자에 게재됐다.
 
같은 부피라도 더 효율적...휘발유ㆍ리튬보다 뛰어난 알루미늄 '에너지 밀도'
 
연구를 진행한 조 교수는 먼저 알루미늄-공기 흐름 전지의 에너지 밀도에 대해 강조했다. 에너지 밀도란 단위 부피에 저장된 에너지로, 전지나 연료의 효율을 나타내는 지표다.
 
울산과학기술원(UNIST)가 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지 시스템. 기존 알루미늄-공기 전지는 부산물이 많이 쌓여 에너지 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있었다. 연구진은 이를 보완하기 위해 전해질 용액을 공급하는 펌프를 설치했다. [UNIST]

울산과학기술원(UNIST)가 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지 시스템. 기존 알루미늄-공기 전지는 부산물이 많이 쌓여 에너지 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있었다. 연구진은 이를 보완하기 위해 전해질 용액을 공급하는 펌프를 설치했다. [UNIST]

조 교수는 "휘발유는 이론적으로는 1㎏당 1만3000Wh의 에너지 밀도를 가지지만, 실제로 엔진을 구동시켜보면 에너지 손실이 크기 때문에 1700Wh로 줄어든다"고 밝혔다. 반면 알루미늄-공기 흐름 전지는 1㎏당 2541Wh의 에너지 밀도를 구현할 수 있어 효율적이라는 것이 조 교수의 설명이다. 
 
휘발유 엔진뿐만 아니라 기존 전기 자동차에 쓰는 '리튬 이온 배터리'와 비교해도 용량이 크다. 소재가 우수하기 때문이다. 1㎤당 리튬 금속은 2.06 Ah의 용량을 가지지만, 알루미늄 금속은 8.04 Ah의 용량을 가진다. 같은 부피라도 알루미늄이 리튬보다 용량이 4배 가까이 큰 셈이다.
 
이번 연구진이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지는 교체식으로 휘발유와 리튬-이온 전지보다 에너지 밀도가 뛰어난 것으로 알려졌다. 또 충전소가 필요한 기존의 전기 자동차와 달리 알루미늄 금속을 교체하면 주행이 가능하다. 사진은 2016년 11월 10일, 영국 런던에서 전기를 충전중인 폭스바겐 차량. [로이터=연합뉴스]

이번 연구진이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지는 교체식으로 휘발유와 리튬-이온 전지보다 에너지 밀도가 뛰어난 것으로 알려졌다. 또 충전소가 필요한 기존의 전기 자동차와 달리 알루미늄 금속을 교체하면 주행이 가능하다. 사진은 2016년 11월 10일, 영국 런던에서 전기를 충전중인 폭스바겐 차량. [로이터=연합뉴스]

또 기존 리튬 배터리가 공기나 다른 유기 전해물을 만나면 폭발하는 특징이 있지만, 알루미늄은 가볍고 저렴하며 무엇보다 폭발하지 않는 장점이 있다.
 
부산물은 씻어내고 반응 효율 높여....전해용액 펌프와 은 촉매제 이용
 
기존에도 알루미늄과 공기를 반응시켜 전기를 얻는 '알루미늄-공기' 전지 기술은 있었다. 그러나 반응 과정에서 부산물(AlOH4-)이 쌓여 배터리 효율이 급격하게 떨어지는 단점이 있었다. 이론적으로는 1㎏당 8100Wh의 에너지 밀도를 보여야 하지만, 부산물로 인해 실제로는 1300Wh로 떨어졌다.
 
연구진은 에너지 밀도를 높여 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 기존 알루미늄-공기 배터리의 산화물 문제를 개선하고, 촉매 소재를 은-망간 나노플레이트로 바꿔 17배나 효율성이 개성된 '알루미늄-공기 흐름 배터리'를 개발했다. 2500Wh/kg은 한 번에 700km를 주행할 수 있는 에너지 밀도다. 사진은 지난 11일 서울 종로구 부암동에서 파주까지 시승행사 중인 전기SUV '니로 EV' [연합뉴스]

연구진은 에너지 밀도를 높여 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 기존 알루미늄-공기 배터리의 산화물 문제를 개선하고, 촉매 소재를 은-망간 나노플레이트로 바꿔 17배나 효율성이 개성된 '알루미늄-공기 흐름 배터리'를 개발했다. 2500Wh/kg은 한 번에 700km를 주행할 수 있는 에너지 밀도다. 사진은 지난 11일 서울 종로구 부암동에서 파주까지 시승행사 중인 전기SUV '니로 EV' [연합뉴스]

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전해질 용액(수산화칼륨)이 담긴 펌프를 설치해 지속해서 순환시켰다. 기존 알루미늄-공기 전지에 '흐름'을 부여해 부산물을 제거한 것이다. 
 
또 기존에 알루미늄과 공기가 반응하도록 하는 백금-탄소 소재(Pt/C)의 촉매를, 가격이 저렴한 은-산화망간 촉매로 교체해 효율성을 높였다. 은은 백금보다 가격은 50배 더 저렴했지만, 이를 사용해 만든 전지는 전기 방출 용량이 기존 알루미늄-공기 전지보다 17배나 컸다.  
 
울산과학기술원(UNIST)이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지의 작동 원리 모식도. 기존에도 알루미늄-공기 전지는 있었으나 산화물이 침전되는 단점이 있었다. 연구진은 수산화칼륨(KOH)이 든 탱크를 설치, 펌프를 통해 이를 지속적으로 공급해 부산물을 억제했다. 또 공기와 반응을 돕는 촉매를 '은-망간 산화물 나노플레이트'로 교체해 에너지 밀도를 높였다. [UNIST]

울산과학기술원(UNIST)이 개발한 알루미늄-공기 흐름 전지의 작동 원리 모식도. 기존에도 알루미늄-공기 전지는 있었으나 산화물이 침전되는 단점이 있었다. 연구진은 수산화칼륨(KOH)이 든 탱크를 설치, 펌프를 통해 이를 지속적으로 공급해 부산물을 억제했다. 또 공기와 반응을 돕는 촉매를 '은-망간 산화물 나노플레이트'로 교체해 에너지 밀도를 높였다. [UNIST]

해당 배터리는 충전식이 아닌 교체식으로, 별도의 충전소가 없어도 알루미늄 금속만 교체하면 기능할 수 있는 것으로 알려졌다. 조 교수는 "이 시스템은 전기자동차의 주행거리를 연장하고, 정전이 발생하지 않는 전원 공급 장치(UPS)에 적용하는 것도 가능할 전망"이라고 기대감을 나타냈다. 
 
허정원 기자 heo.jeongwon@joongang.co.kr
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