초록 ▼

리튬 기반의 배터리가 현재 자동차, 이동기기 및 에너지 저장용으로 많이 사용되고 있으나, 안전성의 문제, 짧은 주행거리, 다습 조건에서의 리튬 불안정성 및 낮은 전기화학 효율성 등의 문제로 인해 적용상 제한점이 있으며, 이를 대체할 수 있는 차세대용 배터리에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 금속-공기 배터리는 높은 에너지밀도 및 무료 공기를 사용하는 비용상의 이점으로 많은 주목을 받고 있다. 예를 들어, 리튬-공기 배터리는 에너지밀도 12 kWh/kg으로 기존 리튬이온배터리보다 5배에서 10배 정도 높지만, 수분에 민감

리튬 기반의 배터리가 현재 자동차, 이동기기 및 에너지 저장용으로 많이 사용되고 있으나, 안전성의 문제, 짧은 주행거리, 다습 조건에서의 리튬 불안정성 및 낮은 전기화학 효율성 등의 문제로 인해 적용상 제한점이 있으며, 이를 대체할 수 있는 차세대용 배터리에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 금속-공기 배터리는 높은 에너지밀도 및 무료 공기를 사용하는 비용상의 이점으로 많은 주목을 받고 있다. 예를 들어, 리튬-공기 배터리는 에너지밀도 12 kWh/kg으로 기존 리튬이온배터리보다 5배에서 10배 정도 높지만, 수분에 민감한 리튬의 특성과 산소와의 복잡한 반응 때문에 실제 시스템 적용을 위해서는 많은 연구개발이 추가로 필요하며, 아연-공기 배터리는 에너지밀도가 1.35 kWh/kg로 약간 낮은 편이고 재충전이 가능한 이점이 있지만, 금속 표면상에 바늘 형태의 침적물(즉, 덴드라이트)이 형성되어 안전상의 문제점, 그리고 산소 환원반응으로 인해 높은 과전압(즉, 전압손실)이 생성되는 문제점이 있다. 마그네슘-공기 배터리의 경우 에너지밀도가 6.5 kWh/kg이며 이론적 전압이 3.1V의 수준으로 높지만, 부식 발생 문제점 및 느린 산소 환원반응 등으로 인해 낮은 쿨롱 효율성을 보이고 있다. 반면, 알루미늄-공기 배터리의 경우 에너지밀도가 4.3 kWh/kg으로 리튬-공기 배터리보다 낮지만, 리튬이온배터리보다 월등히 우수하며, 비용 절감 및 뛰어난 수분/공기 안정성 등으로 인해 기존의 리튬배터리를 대체할 차세대 배터리로 각광받고 있다.



알루미늄-공기 배터리의 장점을 보면, 첫째 에너지밀도가 뛰어나며 리튬이온배터리보다 5배 정도 우수하다. 둘째, 음극제로 사용되는 알루미늄 금속은 매우 가볍고, 저가이며, 독성이 없이 안전하다. 셋째, 알루미늄 기반의 산화-환원 커플은 저장용량이 매우 높으며, 넷째, 알루미늄은 손쉽게 재활용이 가능하다. 하지만 염기성 용액 내에서 자체-부식성, 부산물[Al(OH)4- 및 Al(OH)3]의 양극 및 음극 표면상의 축적으로 인한 전기화학반응성 감소 등 해결해야 할 단점 및 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 관련된 연구 동향을 본서에 정리했다.



그림 1에서와 같이 대기 중의 공기가 다공성 양극제를 통해 공급되고, 음극에서 생성된 수산화이온과 공기 중 산소가 양극에서 반응하여 수산화알루미늄을 생성하며 이론적 전압 2.75V가 발생한다.



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