착한 가격까지 탑재해서 나와라!

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알루미늄 금속 덩어리의 모습. -사진 제공 UNIST

한 번 장착하면 700 km 이상 달릴 수 있는 효율적인 전기자동차용 배터리 기술이 개발됐다. 특이하게 다른 배터리처럼 충전할 필요가 없이, 금속인 ‘알루미늄판’을 마치 연료처럼 교체해 넣어주기면 하면 전기가 가득 찬다. 휘발유를 사용하는 엔진보다 에너지 효율이 높고 안전해, 전기자동차 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

류재찬 UNIST 에너지및화학공학부 연구원과 조재필 교수팀은 금속을 공기와 반응시켜 전기를 얻는 ‘금속-공기 전지’를 연구했다. 금속-공기 전지는 마치 건전지처럼 충전은 할 수 없고 방전만 되는 일차전지다. 충전이 안 되는 대신, ‘연료’에 해당하는 금속만 교체하면 다시 전기를 가득 채울 수 있다. 충전 시간이 필요 없어 사용이 편리하고, 널리 쓰이는 배터리인 리튬 이온 배터리보다 단위 부피당 낼 수 있는 에너지 용량이 커서, 효율성 높은 차세대 배터리 후보로 꼽힌다.

연구팀은 특히 연료 금속으로 알루미늄을 선택했다. 알루미늄은 금속 중 비교적 가볍고 가격이 싸며 안전하고, 같은 부피일 때 에너지를 리튬보다 네 배 더 많이 낼 수 있어 효율성이 높다. 하지만 막상 실제로 전지를 만들어 작동시켜 보니 작동 과정에서 일종의 ‘쓰레기’인 알루미늄 산화물과 수소 등 부산물이 생긴다는 문제가 발견됐다. 이들 부산물이 전극에 쌓이면서 성능을 점차 떨어뜨렸다.

알루미늄-공기 흐름 전지가 작동해서 전기를 발생시킨 모습 -사진 제공 UNIST

조 교수팀은 전지에 일종의 펌프를 설치해 내부에서 전자를 전달하는 용액인 전해액이 계속 흐를 수 있게 해 이 문제를 해결했다. 마치 경찰차가 끊임없이 도시를 돌아다니며 쓰레기 무단투기를 감시하는 것처럼, 전해질이 순환하며 부산물이 전극에 침전되지 못하도록 막았다. 그 결과 부산물이 쌓이지도 않았고, 배터리의 성능도 떨어지지 않았다. 연구팀은 여기에 은과 망간산화물을 이용한 고성능 촉매도 추가로 개발해 효율을 더욱 높였다. 은-망간산화물 촉매에 쓰이는 은은 기존 촉매인 백금에 비해 가격이 50분의 1 수준으로 낮아 경제성도 높다.

조 교수는 “휘발유 1 kg 은 실제 자동차에서 1700와트( Wh )의 에너지 밀도를 나타내는데 알루미늄은 1 kg 당 2500 Wh 로 에너지 밀도가 월등히 높다”며 “이 정도면 한 번 알루미늄을 교체해서 약 700 km 를 달리는 전기차 배터리를 만들 수 있는 효율”이라고 설명했다.

연구 결과는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 13일자에 발표됐다.

[윤신영 기자 ashilla @ donga . com ]