생활의 편리를 높일 다양한 형태의 연료전지 및 배터리 등 고전력/ 고에너지밀도의 차세대 전력원 연구가 활발한 가운데 국내연구진이 가격이 저렴하고 친환경적인 알루미늄 소재를 이용해 고에너지밀도의 전기화학에너지 시스템(Al-EES)을 선보였다.
알루미늄 기반 전기화학에너지 시스템(Al-EES)이란 산화 환원 반응을 통해 알루미늄과 양극액 함유한 전해질의 화학 에너지로부터 실제로 전력을 생성하는 새로운 종류의 1차 에너지 시스템으로 금속-알루미늄 연료전지와 닮은 구조이나 에너지변환효율이 높은 양극액 사용으로 촉매나 멤브레인 없이 작동 가능하다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 제주대학교 김상재 교수 연구팀이 신개념 전기화학반응 설계를 통해 중소형 모빌리티 전력공급원으로 활용 가능한 알루미늄 기반 전기화학에너지 시스템(Al-EES)을 개발했다고 7일 밝혔다.
현재 디지털기기와 전기차 등의 전력원으로 리튬이온 배터리가 널리 사용되고 있지만, 폭발 위험성과 고가 리튬의 희소성 등으로 이를 대체할 차세대 에너지원 연구가 지속적으로 추진되고 있다.
금속과 공기를 조합한 방식의 Al-EES는 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 kg당 5배 이상 높고, 이산화탄소 등 환경유해요소를 배출하지 않으며 안정성이 높아 차세대 고성능 전력원으로 주목받고 있다.
하지만 상용화를 위해서는 알루미늄의 부식, 대체산소 환원반응을 위한 촉매개발 등의 과제를 해결해야 한다.
김상재 교수는 효율적인 전자수용체와 부식방지제 역할을 동시에 수행하는 과황산염(S2O82-)을 Al-EES의 양극액으로 활용하여 양극설계를 단순화했으며, 고가의 촉매를 대체하고 음극부식을 억제해 고성능 차세대 전력원의 가능성을 입증했다.
과황산염(S2O82-)을 적용한 새로운 Al-EES의 에너지밀도는 2,650Wh/kg로 기존 Al-공기 배터리 (1,470Wh/kg) 대비 1.8배 이상 증가했으며, 안정적인 전압출력(~2V)과 최대 방전 77시간을 기록해 높은 성능을 확보하였다.
김상재 교수는 “이번 연구는 Al(알루미늄)과 양극액함유 전해질의 전기화학 반응을 통해 화학에너지를 전지로 변환하는 새로운 개념의 전기화학적인 전력원 개발 아이디어를 실제 시스템으로 구현한 데 의의가 있다”며 “앞으로 경쟁력 있는 Al-EES 전력원의 상용화를 위해 기초실험과 성능검증, 시작품평가 및 원천기술을 확보의 전주기에 걸친 밀도 있는 연구수행을 추진할 계획”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 화제 논문(hot article)으로 8월 11일 온라인 게재되었다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
