[논문]알루미늄공기전지 연구동향

최상진; 심우영

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문제 정의

또한 알루미늄은 원소 자체의 풍부함이나 가격적 측면에서 리튬과 비교가 안 될 정도의 우위를 점하고 있어, 또 하나의 촉망받는 배터리 시스템이라 할 수 있다. 본 논문에서는 알루미늄공기전지의 연구동향과 앞으로의 발전방향에 대해 논해보고자 한다.
산성 전해질은 매우 빠른 부식속도와 낮은 작동 전압으로 인해 일반적으로는 잘 사용되지 않으며, 중성의 염화나트륨(NaCl), 염기성의 수산화나트륨(NaOH)과 수산화칼륨(KOH)이 주로 사용된다. 수계 전해질에서는 새로운 종류의 전해질을 사용하려는 시도의 연구보다는 전해질의 농도나 작동 온도에 따른 변화, 또는 그 전해질 하에서 알루미늄 합금의 특성을 보는 연구가 주를 이루고 있기 때문에 본 논문에서는 자세히 다루지 않기로 한다.
따라서 율속 성능(rate capability)과 출력(power)를 높이기 위해서는 환원극의 kinetics를 향상시키는 것이 필수적이며, 이를 위해 일반적으로 촉매를 사용한다. 환원극의 산소환원반응은 다른 금속공기전지나 연료전지에서 일어나는 반응과 동일하기 때문에 이 장에서는 알루미늄공기전지에 국한하지 않고 산소환원반응을 포함하는 여러 전지 시스템들의 전반적인 동향을 촉매 및 촉매능에 대한 연구를 중심으로 다룰 것이다.

제안 방법

이전고체 전지는 구부리거나 늘인 상태에서도 거의 변함없이 성능을 유지했고, 직물 형태로 짠 뒤 손목에 감아 LED 시계를 켤 정도의 출력을 보였다.²⁾ 본 연구팀은 카본 블랙(carbon black)/poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(PVDF-HFP) 복합체 용액을 종이에 코팅하여 접힘이 가능한 환원극을 제작하고, 각각의 셀을 전도성 힌지(hinge)로 연결하여 직/병렬 연결된 알루미늄공기전지를 제작하였다. 제작된 셀은 늘어난 상태, 적층된 상태, 구겨진 상태, 패턴 형태로 잘려 3차원적으로 늘어난 상태에서도 모두 안정적으로 LED를 켬으로써 출력을 유지하는 것을 확인하였다.
환원극에서는 느린 산소환원반응이 일어나 전지 전체 반응속도를 제한한다. 이장에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 진행되어온 연구들을 산화극, 환원극, 전해질 세 부분으로 나누어 정리하고자 한다.

성능/효과

Nankai 대학의 Jun Chen 연구팀은 알루미늄 나노선 구조를 기상증착법(vapor-deposition)을 이용하여 제작하고 알루미늄공기전지의 산화극으로 응용하였다. 나노선 구조의 전극은 일반 알루미늄 파우더를 이용하여 제작한 전극에 비해 높은 작동 전압과 비용량을 나타냈다.⁵⁾Beihang 대학의 Huimin Lu 연구팀은 등축각압축법(equal channel angular pressing)을 이용하여 매우 조밀한 결정립의 알루미늄 산화극을 제작하였다.
의 방전 전류 밀도에서 1000 mAh/g (환원극 무게 기준)의 비용량을 나타내는 알루미늄공기전지를 개발하였다. 또한 충전 사이클 실험을 통해 충전 가능성을 보였으나, 실험결과가 한 사이클에 제한되어 있고 충전 시의 과전압이 너무 큰 문제점을 나타냈다.⁴⁾ Technion-Israel 공과대학의 Y.
Fudan 대학의 Huisheng Peng 연구팀은 알루미늄 스프링 산화극과 하이드로젤(hydrogel) 전해질, 은이 코팅된 탄소나노튜브 시트 환원극으로 이루어진 섬유형 알루미늄공기전지를 개발하였다. 이전고체 전지는 구부리거나 늘인 상태에서도 거의 변함없이 성능을 유지했고, 직물 형태로 짠 뒤 손목에 감아 LED 시계를 켤 정도의 출력을 보였다.²⁾ 본 연구팀은 카본 블랙(carbon black)/poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(PVDF-HFP) 복합체 용액을 종이에 코팅하여 접힘이 가능한 환원극을 제작하고, 각각의 셀을 전도성 힌지(hinge)로 연결하여 직/병렬 연결된 알루미늄공기전지를 제작하였다.
²⁾ 본 연구팀은 카본 블랙(carbon black)/poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(PVDF-HFP) 복합체 용액을 종이에 코팅하여 접힘이 가능한 환원극을 제작하고, 각각의 셀을 전도성 힌지(hinge)로 연결하여 직/병렬 연결된 알루미늄공기전지를 제작하였다. 제작된 셀은 늘어난 상태, 적층된 상태, 구겨진 상태, 패턴 형태로 잘려 3차원적으로 늘어난 상태에서도 모두 안정적으로 LED를 켬으로써 출력을 유지하는 것을 확인하였다.¹⁾

후속연구

이를 해결하기 위해서는 환원극에서 일어나는 oxygen chemistry의 메커니즘을 정확히 규명하고 그에 맞는 촉매 설계 및 제작에 대한 연구가 충분히 이루어져야 한다. 또한 산화극에서 일어나는 자가 부식 문제를 개선하기 위해서는 최적의 알루미늄 합금 조성조건 도출 및 2D/3D 다공성 알루미늄 구조를 적용하여 부식반응을 최소화하는 동시에 이용효율을 높이는 방향으로 연구가 진행되어야 한다. 마지막으로, 유연성 전지시장이 급격히 성장하고 있는 만큼 성능 개선과 동시에 다양한 변형이 가능한 구조를 접목시킨다면 리튬 전지 위주로 편성된 전지 분야에서 알루미늄공기전지가 급부상할 수 있는 계기가 될 것이다.
또한 산화극에서 일어나는 자가 부식 문제를 개선하기 위해서는 최적의 알루미늄 합금 조성조건 도출 및 2D/3D 다공성 알루미늄 구조를 적용하여 부식반응을 최소화하는 동시에 이용효율을 높이는 방향으로 연구가 진행되어야 한다. 마지막으로, 유연성 전지시장이 급격히 성장하고 있는 만큼 성능 개선과 동시에 다양한 변형이 가능한 구조를 접목시킨다면 리튬 전지 위주로 편성된 전지 분야에서 알루미늄공기전지가 급부상할 수 있는 계기가 될 것이다.
웨어러블 디바이스 등 유연성을 가지는 전자기기들에 대한 수요가 급증하면서 그에 포함되는 전지 또한 유연성을 가지는 구조로 많은 연구가 진행 중이다. 알루미늄공기전지 분야에서는 유연성 전지에 대한 연구결과가 아직 많지 않은 편이지만, 전지 시장의 추세에 맞게 앞으로 더 많은 연구결과가 발표될 것으로 예상된다. 이 장에서는 현재까지 연구된 유연성 구조를 가지는 알루미늄공기전지에 대해 간략하게 리뷰 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄공기전지의 특징은?	그 중에서도 리튬공기전지는 2000년대 초반부터 리튬이온전지의 뒤를 이을 차세대 에너지원으로 주목받으며 활발하게 연구되었으나, 여전히 안정성, 가격, 수명 등의 상용화를 위한 기술적 도약이 필요한 시점이다. 한편 알루미늄공기전지는 금속공기전지 중 리튬에 이어 두 번째로 큰 에너지 밀도를 보이며, 산화환원 반응 시 3개의 전자가 참여하여 부피당 용량은 리튬보다도 큰 값을 나타낸다. 또한 알루미늄은 원소 자체의 풍부함이나 가격적 측면에서 리튬과 비교가 안 될 정도의 우위를 점하고 있어, 또 하나의 촉망받는 배터리 시스템이라 할 수 있다.
	순수 알루미늄과 비교하여 알루미늄 합금의 장점은?	알루미늄 합금은 순수 알루미늄에 비해 부식 속도가 낮아 산화극의 이용효율을 높이고 전지의 사용시간을 늘릴 수 있다. 알루미늄 합금으로 연구된 원소로는 인듐(In),갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn) 등이 있다.
	알루미늄공기 전지의 문제점은 어떤 것이 있는가?	1과 같다. 산화극에서는 부동태 산화 피막이 형성되어 주반응을 방해하며, 전해질과 접촉 시 원치 않는 부식 및 수소 발생 반응이 일어난다. 환원극에서는 느린 산소환원반응이 일어나 전지 전체 반응속도를 제한한다. 이장에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 진행되어온 연구들을 산화극, 환원극, 전해질 세 부분으로 나누어 정리하고자 한다.

참고문헌 (11)

Choi, S. et al. "Shape-Reconfigurable Aluminum- Air Batteries." Adv. Funct. Mater. 27, 1702244 (2017).

상세보기
Xu, Y., Zhao, Y., Ren, J., Zhang, Y. & Peng, H. "An All-Solid-State Fiber-Shaped Aluminum-Air Battery with Flexibility, Stretchability, and High Electrochemical Performance." Angew. Chem. 128, 8111-8114 (2016).

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Gelman, D., Shvartsev, B. & Ein-Eli, Y. "Aluminum- air battery based on an ionic liquid electrolyte." J. Mater. Chem. A 2, 20237-20242 (2014).

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Hibino, T., Kobayashi, K. & Nagao, M. "An allsolid- state rechargeable aluminum-air battery with a hydroxide ion-conducting Sb(v)-doped SnP2O7 electrolyte." J. Mater. Chem. A 1, 14844 (2013).

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Li, C., Ji, W., Chen, J. & Tao, Z. "Metallic Aluminum Nanorods: Synthesis via Vapor-Deposition and Applications in Al/air Batteries." Chem. Mater. 19, 5812-5814 (2007).

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Gudic, S., Smoljko, I. & Kliskic, M. "Electrochemical behaviour of aluminium alloys containing indium and tin in NaCl solution." Mater. Chem. Phys. 121, 561-566 (2010).

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Fan, L., Lu, H. & Leng, J. "Performance of fine structured aluminum anodes in neutral and alkaline electrolytes for Al-air batteries." Electrochimica Acta 165, 22-28 (2015).

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Greeley, J. et al. "Alloys of platinum and early transition metals as oxygen reduction electrocatalysts." Nat. Chem. 1, 552-556 (2009).

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Mao, L. et al. "Mechanistic study of the reduction of oxygen in air electrode with manganese oxides as electrocatalysts." Electrochimica Acta 48, 1015-1021 (2003).

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Gara, M. & G. Compton, R. "Activity of carbon electrodes towards oxygen reduction in acid: A comparative study." New J. Chem. 35, 2647-2652 (2011).

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Shanmugam, S. & Osaka, T. "Efficient electrocatalytic oxygen reduction over metal free- nitrogen doped carbon nanocapsules." Chem. Commun. 47, 4463-4465 (2011).

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