보도자료

2018. 09. 13. (목) 18시부터 보도해 주시기 바랍니다.

“휘발유보다 세다”… 신개념 고에너지 알루미늄 배터리!

UNIST 조재필 교수팀, 비폭발성 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’ 기술 개발
한 번 교체에 700km 이상 주행 가능… Nature Communications 게재

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) 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 휘발유 자동차보다 효율적인 전기차 배터리 시스템을 개발했다. 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. 같은 무게의 휘발유와 알루미늄의 실질적 에너지 밀도를 따지면 알루미늄이 월등하다.*

^*휘발유(가솔린)의 이론적인 에너지 밀도는 1kg 당 1만 3,000Wh로 높지만 실제로 엔진을 구동시키는 과정에서 에너지 손실이 크기 때문에 실질적 에너지 밀도는 1,700Wh로 줄어든다. 반면 알루미늄-공기 흐름 전지에서 알루미늄 금속은 1kg 당 2,541Wh의 에너지 밀도를 구현할 수 있다. (붙임자료의 그림2 참조)

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 크고*, 폭발하지 않는다는 장점이 있기 때문이다.

^*금속의 부피 당 용량: 1㎤당 알루미늄 금속은 8.04Ah의 용량을, 리튬 금속은 2.06Ah의 용량을 가진다. 같은 부피라면 알루미늄 금속이 리튬 금속보다 4배에 가까운 용량을 가지는 셈이다.

하지만 기존 ‘알루미늄-공기 전지’는 작동 과정에서 알루미늄 부산물이 쌓여 쉽게 성능이 떨어진다. 조재필 교수팀은 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.

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.

제1저자인 류재찬 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “알루미늄 전극의 침전 문제는 ‘전해액 흐름’ 기술로 극복하고, 공기 전극에는 고성능 촉매를 적용해 고에너지 밀도를 달성했다”며 “새로운 촉매가 안정적으로 높은 활성도를 보이는 원리도 원자 단위의 투과전자현미경으로 규명했다”고 설명했다.

알루미늄-공기 흐름 전지의 방전 용량은 기존 알루미늄-공기 전지보다 17배 증가했다. 또 새로 개발한 은-망간산화물 기반 촉매는 기존에 많이 사용하던 백금계 촉매(Pt/C)에 뒤지지 않는 성능을 보였다. 은(silver)은 백금보다 50배 낮은 가격이기 때문에 가격 면에서도 경쟁력을 확보했다.

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 전망했다.

이번 연구는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 13일자에 게재됐다. 연구 수행은 울산광역시청의 지원을 받아 이뤄졌다. (끝)

논문명: Seed-mediated atomic-scale reconstruction of silver manganate nanoplates for oxygen reduction towards high-energy aluminum-air flow batteries

자료문의

홍보팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

에너지 및 화학공학부: 조재필 교수 (052)217-2910

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전기차 시장이 커지면서 기존 리튬이온전지의 용량 한계와 느린 충전시간, 무거운 배터리 팩, 폭발 위험성 등을 극복할 혁신적 차세대 전지 개발이 중요해졌다. 다양한 차세대 전지 중 고에너지 밀도를 가진 ‘금속-공기 전지’가 각광 받고 있으며, 여기 쓰이는 금속으로써 알루미늄 전극에 대한 연구가 활발하다. 알루미늄은 체적당 용량이 1세제곱센티미터(㎤) 당 8.04암페어시(Ah)*로 매우 높고, 매장량이 풍부하며, 폭발하지 않는 특징을 가지기 때문이다.

현재 ‘알루미늄-공기 전지’는 이론적으로 에너지 밀도가 알루미늄 1킬로그램(kg) 당 8,100와트시(Wh)**로 매우 높다. 하지만 심각한 부산물(알루미늄 산화물 및 수소)이 생성되고, 공기극의 활성도가 낮아 실제로 구현되는 에너지 밀도는 1kg 당 1,300Wh에 불과하다. 따라서 부산물 생성을 저감할 혁신적인 신소재를 개발하고, 에너지 밀도를 높여줄 독창적인 촉매와 전지(Cell) 설계가 필수적이다.

^*암페어시(Ah): 1암페어(A)의 전류가 1시간 동안 흐를 수 있는 양을 나타낸다.

^**와트시(Wh): 1초당 1줄(J)의 일(1W)을 하는 비율로 1시간 동안 일한 양을 나타낸다.

2. 연구내용

이번에 개발한 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’는 이론 방전용량인 알루미늄 1kg 당 2,900Ah에 근접한 1kg 당 2,800Ah의 용량을 나타냈다. 이는 전지의 고에너지 밀도 달성이 가능해 ‘에너지 밀도가 높은 저가형/비폭발성 차세대 전지’가 실현 가능함을 입증한다.

일반적으로 금속-공기 전지에는 산소 환원 반응 속도를 높이기 위해 촉매 활성도가 뛰어난 ‘백금-탄소(Pt/C) 계열 촉매’를 쓴다. 하지만 비싼 귀금속인 백금을 쓰기 때문에 전지 가격을 높여 산업적으로 널리 쓰이기 어렵다. Pt/C를 대체할 저가의 촉매도 개발되고 있지만, 실제 전지에서 작동했을 때 촉매 활성도와 안정성이 감소하는 경우가 많다. 이는 전지 작동 전압을 떨어뜨리고 에너지 밀도를 낮추는 결과를 가져온다. 현재까지는 이를 극복할 실질적인 해결책이 제시되지 못하고 있다.

이번 연구에서는 1) 펌프를 이용해 외부 전해액을 지속적으로 순환시킴으로써 부산물 생성을 억제하고, 2) 고효율 ‘은-산화망간 나노플레이트 촉매’를 적용해 고에너지 밀도(1kg 당 2,500Wh)를 달성했다. 3) 또 촉매가 높은 활성도와 안정성을 가지는 근본적인 원인을 규명했다.

연구진은 높은 전류 밀도를 달성하기 위해 전기 전도도가 높은 은 나노입자를 성장 씨앗으로 삼아 은-망간 산화물 나노플레이트를 성장시켰다. 이를 통해 결함(dislocations)들을 생성시켜 촉매 활성도를 극대화했다. 이 방법으로 합성한 ‘은-망간 산화물 나노플레이트’를 알루미늄-공기 흐름 전지에 적용해 Pt/C와 유사한 전기화학적 성능을 확보했다. 더욱이 이 촉매는 Pt/C 대비 뛰어난 안정성을 보였는데, 이는 고농도 전해액에서 은이 백금보다 뛰어난 화학적 안정성에 기여한다는 걸 발견했다.

또한 생성된 결함들과 나노플레이트의 구조적 상관관계를 원자 단위의 전자현미경을 통해 직접 관찰하고 규명했다. 이를 통해 나노플레이트 표면에 생성된 줄무늬 패턴은 은과 망간 원자의 개별적 배열로 인해 생성됐고, 이들은 Ag₂MnO₄라는 구조를 가짐을 밝혔다.

3. 기대효과

이번에 개발한 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’ 기술에 ‘은-망간 산화물 촉매’ 기술을 적용할 경우, 기존보다 월등히 많은 에너지를 지속적으로 생성할 수 있다. 이 시스템은 주행거리 연장형 전기자동차의 동력원과 무정전 전원 공급 장치(UPS)로 적용 가능할 전망이다. 이뿐만 아니라 촉매 물질에서의 결함 형성에 따른 산소 환원 반응 활성도를 파악하는 데 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

[붙임] 그림 설명

그림1. 기존 ‘알루미늄-공기 전지’와 ‘알루미늄-공기 흐름 전지’ 비교: 기존 알루미늄-공기 전지의 심각한 부산물 생성으로 전지 성능이 급격히 저하된다.(위) 반면 알루미늄-공기 흐름 전지는 지속적으로 펌프가 작동하면서 전해질을 순환시켜 부산물 침전을 억제한다. 여기에 고성능 촉매까지 더해져 고에너지 밀도를 구현할 수 있다. (아래)

그림2. 가솔린, 아연-공기 흐름 전지, 알루미늄-공기 흐름 전지의 성능 비교: 왼쪽은 가솔린의 이론적 및 실질적 에너지 밀도, Pt/C 촉매를 적용한 알루미늄-공기 흐름 전지의 에너지 밀도, UNIST 촉매인 ‘은-망간 산화물 나노플레이트’를 적용한 알루미늄-공기 흐름 전지의 에너지 밀도를 비교한 그래프다. 가솔린은 이론적 에너지 밀도가 1kg 당 1만 3,000Wh로 높지만, 실제 자동차에서 구현되는 에너지 밀도는 1kg 당 1,700Wh에 그친다. 알루미늄-공기 흐름 전지는 가솔린의 실질적 에너지 밀도보다 높은 1kg 당 2,461Wh와 2,541Wh를 보여준다. 오른쪽은 UNIST 촉매 ‘은-망간 산화물 나노플레이트’를 적용한 아연-공기 흐름 전지의 에너지 밀도와 알루미늄-공기 흐름 전지의 에너지 밀도를 비교한 것이다. 아연에 비해 알루미늄이 무게 당 에너지 밀도에서 유리함을 한눈에 알 수 있다.

그림3. 알루미늄-공기 흐름전지의 모습: 왼쪽에 있는 알루미늄 금속을 연료로 써서 공기와 반응시키면 전기가 발생한다. UNIST라는 글씨가 쓰인 전구 왼쪽에 보이는 장치가 알루미늄-공기 흐름전지의 본체이고, 뒤쪽 플라스틱 장치가 펌프다. 펌프 옆 유리병에는 전해액이 담겨 있다.

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr