메탈 에어 배터리는 직역을 하면 금속-공기 전지입니다.
메탈 에어(Metal-Air) 배터리란
해당 전지는 공기를 이용하여 전력을 발생시키는 전지인데 금속과 공기를 전지의 음극과 양극으로 각각 사용하여 전력을 발생하는 구성을 가지고 있습니다.
금속 공기 전지를 구성하는 금속은 아연(Zinc), 알루미늄(Aluminum), 리튬(Lithium) 등의 금속을 사용하는데 배터리 내부에는 화학 산화제 대신 안정된 금속이 들어가기 때문에 리튬이온 전지보다 폭발이나 화재 등의 염려가 훨씬 없는 게 특징입니다. 이러한 특징 덕분에 배터리 분리 시에도 안전하게 제거가 가능하다는 특징이 있습니다.
* 리튬이온 전지보다 상위 위치에 존재하는 Zinc-Air battery.
금속공기전지는 기존의 2차 전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높으며 충전 용량 또한 리튬이온 배터리의 5~10배에 달합니다. 때문에 금속 공기 전지는 고 에너지 밀도 전지로 주목받고 있습니다. 반응을 위해서 금속 공기 전지는 외부에서 유입되는 공기 중의 산소를 이용합니다. 때문에 미리 산소를 넣지 않아도 되는 장점으로 인하여 가벼우며 반응되는 금속 같은 경우 가격이 저렴하기 때문에 실용성이 높은 장점이 있으며 음극에 들어가는 금속의 양을 산소가 들어가는 자리를 대신하여 채울 수가 있기에 단위 질량당 높은 에너지 밀도를 가질 수가 있습니다.
메탈 에어(Metal-Air) 전지의 사용분야
메탈 에어 배터리는 사실 리튬이온 전지를 대체할 전지로 20년 전부터 연구되어 왔으며 미군의 군용배터리로도 사용되고 있습니다. 현재 널리 이용되고 있는 리튬이온 전지보다 폭발의 위험이 적으며 다양한 환경에서도 강건한 특징을 가지고 있기에 미국이나 이스라엘 등의 나라에서 군사용으로 사용되고 있기도 하며 소형 웨어러블 스마트 장치 및 무선 통신에도 사용이 되고 있습니다.
메탈 에어(Metal-Air) 전지의 한계
좋은 특징을 지닌 금속전지가 크게 상용화가 되지 못한 이유들은 무엇일까요?
금속 전지는 위의 사진에서 보았듯이 높은 에너지 밀도를 가지고 있으나 충전 시 반응성이 기존의 전지보다 떨어지는 문제점이 존재합니다. 즉 충전이 다른 전지보다 느리다는 것이죠. 때문에 전지의 용량 유지와 관련해서 문제가 존재하며 이는 곧 전지의 효율성으로 직결되게 됩니다.
또한 금속 공기 전지의 반응에 이용되는 공기는 한정된 양이 주입되는데 양극에서 발생되는 과전압이나 음극 표면에서 발생되는 수소 기체 발생 등으로 인해 제한되는 금속의 산화반응 및 양극과 음극에서 비가역적인 물의 생성반응으로 인한 전해질 내 수분 손실로 인한 전체적인 전지의 효율이 떨어지게 되니다.
또한 전지는 열로인한 영향으로 충전된 전기의 3분의 1이 손실되고 전력 저장기간이 짧은 점등에 의해서 상용화에 대한 문제가 존재합니다. 그래도 전기자동차용 전원으로써 이를 2차 전지화 하려는 연구가 미국과 일본 등 세계 각지에서 진행 중인 전지입니다.
Zinc-Air Battery
메탈 금속 전지 중에서도 대표적인 Zinc-Air 배터리를 먼저 살펴보겠습니다.
1. 양극 (Cathode)
양극의 구조
1. Diffusion layer
: 해당 층을 통해서 공기가 유입되며 전지 내부에 있는 용매인 물이 배출되는 것을 막는 역할을 수행.
2. Current Collecting layer
: 해당 층은 집전체로써 전류가 공급되는 경로.
3. Catalytically active layer
: 외부로 부터 유입된 공기 중에 포함된 산소와 전해질 내의 물이 만나는 곳으로 해당 층에서 수산화 이온을 형성하는 반응이 발생함.
Zinc-Air 전지에서 사용되는 양극은 공기 중에 존재하는 산소를 이용합니다. 산소는 외부로부터 유입되는 공기에 포함되어있으며 외부로부터 유입되는 산소와 물과 반응할 때 전자를 얻는 환원 반응이 양극에서 진행되어서 수산화 이온이 생성됩니다.
화학식 : (1/2) * O2 + H2O + 2e(-) → 2OH(-) (E0 = Ecathodic = -0.40 V, pH＝11)
2. 음극 (Anode)
음극에서는 전지가 방전되면서 아연 금속이 전자를 잃는 산화반응이 일어납니다. 이를 통해서 아연 이온이 생성되고 생성된 아연 이온은 양극에서 전해질을 통해 이동해온 OH(-)와 반응하여 수산화 아연을 형성하게 됩니다.
화학식 : Zn + 4OH(-) → Zn(OH)42(-) + 2e(-) ( E0 = Eanodic = -1.25V ) > 아연의 산화반응
화학식 : 2H2O + 2e(-) → Zn(OH)2 + H2 > 수소의 환원 반응 (금속표면에서 수소가 발생함)
3. 전해질 (Electrolyte)
: 전해질은 전지에서 음극과 양극의 반응을 위한 이온의 이동 통로 역할을 수행합니다. 보통 Zinc-Air 배터리에서는 중성 또는 알칼리성 전해질을 사용합니다. 많은 경우에는 알칼리성 전해질을 사용하기도 하는데 수산화물(Hydroxide) 용액이 음극의 산화 반응을 억제 및 양극에서의 산소의 환원을 촉진시켜 전지의 효율을 높여주기 때문이라고 합니다.
알칼리성을 띤 전해질의 경우 중요한 factor는 수산화이온의 농도입니다.
추가적으로 알칼리성 전해질을 사용하기 때문에 이산화 탄소의 배출량 또한 적기에 친환경적인 전지라고 할 수도 있지만 생산과정에서의 이산화탄소 발생량도 있기 때문에 과정상에의 문제점만 해결한다면 환경에 좋은 전지로 인식이 바뀔듯합니다.
* 종합하면 양극과 음극에서 2Zn + O2 → 2ZnO ( E overall = 1.65V )의 반응식과 금속의 부식 반응을 통해서 1.65V의 전압을 얻을 수가 있습니다.
* 과정 정리
1. 양극에서 공기중에 섞인 산소를 이용하여 전자를 얻는 환원 반응을 통해서 수산화 이온이 생성되게 됩니다.
2. 양극에서 생성된 수산화 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동되게 됩니다.
3. 금속으로 이루어진 음극은 수산화 이온과의 산화반응을 통해 전자를 발생함.
4. 생성된 전자가 양극으로 이동하고 이에 따라 전류가 흐르게 되고 전력이 발생하게 됨.
전망 & 보완점
아연 공기 전지에 대한 수요는 지속적으로 상승하고 있습니다. 현재는 일차 전지 위주로 시장이 형성되어 있지만 충/방전의 효율 개선을 통해서 이차전지로도 확대될 전망이 있습니다. 실제 유럽의 아연공기 일차전지 시장 점유율은 36%를 차지하며 각국의 정부와 EU 주도하에 다양한 프로젝트( 독일 - ZnMobil, EU - Powair )등을 통해서 향상된 아연공기 전지 개발을 시도하고 있습니다.
시장 규모는 2018년 기준으로 1,312백만 달러를 기록하고 있으며 19년도부터 25년까지 연평균 7.86% 수준까지 성장할 전망입니다. 주 사용분야는 소형 전자기기 세그먼트이며 원격 의료진단기 또는 원격 철도신호 및 내비게이션 보조 시스템 등 다양한 분야에서 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다.
국내에는 아연공기전지 시장이 특정 업체에 의해서 주도되고 있습니다. 때문에 특수 목적( 비상용, 군용, 열악한 환경 )을 위해서 주로 상용화가 되어있으며 향후 레저 산업 등으로 확대 전망됩니다.
하지만 보완되어야할점들도 많은데요
Zinc의 비가역성과 관련이 되어있는데 리튬이온 전지와 마찬가지로 전압을 발생시키는 이온들의 수가 감소하는 현상 또한 Zinc-Air 배터리에도 존재합니다. Zinc-Air 배터리 내부에서 덴드라이트(Dendrite) 현상이 발생하거나 또는 이온들이 제 위치로 안착되지 못함으로 인하여 발생하는 문제들입니다. 주로 수지상(Dendrite) 성장은 아연 금속 표면에서 발생하는데 이를 억제하기 위해서 아연 금속 표면에 보호층을 도입하는 연구들이 주로 시행되고 있습니다.
또한 전해질 같은경우 수용성이 아닌 물질들이 개발되어 최근에 많이 사용되었으나 만족스럽지 못하는 성능을 보여주고 있기 때문에 낮은 이온 전도성 또한 해결해야 할 문제 중 하나이며 자가방전율 또한 개선되어야 할 점 중의 하나로 꼽히고 있습니다. 그리고 전해질의 'solidification' 즉 고체화 문제 또한 심각한 문제입니다.
전기자동차나 ESS등 중 대형의 이차전지 시장에 활용이 되기 위해서는 리튬이온 전지에 비해 현저히 낮은 충/방전 효율 개선이 필수적입니다. ( 산소의 산화/환원을 담당하는 양극재의 전기화학적 반응 속도가 현저히 낮은 것이 주된 요인 )
참고 자료
1. The 2021 battery technology roadmap
2. KISTEP 기술동향브리프 - 이차전지 2020
3. Kim(2019), The Surface-Modified Effects of Zn Anode with CuO in Zn-Air Batteries, Appl. Surf. Sci
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