국내 연구진이 폭발위험성이 없고, 세계 최고 수준 에너지 밀도를 가지며, 제작단가를 리튬전지의 1/10 수준으로 낮출 수 있는 획기적인 금속공기전지 개발에 성공했다.

한국전기연구원(원장 김호용, www.keri.re.kr) 전지연구센터 엄승욱 박사팀은 kg당 최대 395Wh로 세계 최고 수준 에너지 밀도를 갖는 아연금속공기전지를 개발하는데 성공했다고 24일 밝혔다.

아연공기전지는 차세대 전지인 금속공기전지의 일종으로 기존 전지보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 금속공기전지는 한국전기연구원(이하 ‘KERI’)이 지난 2010년 선정, 발표한 ‘미래를 바꿀 10대 유망 전기기술’에 △종이 배터리 △마이크로 발전 △투명 태양전지 △무선 전력전송 △분산전원 △직류전원망 △전기자동차 △유연 투명전극 △무방열 LED 등과 함께 포함돼 있다.

장시간 전력이 필요한 미래 병사용 전원체계, 무인항공기 등의 군수분야 및 민수분야에서 사용하기 위해서는 기존의 전지에 비해 에너지 밀도가 우수하고, 안전성이 우수한 전지의 개발이 필수적이다. 이에 따라 KERI 엄승욱 박사팀은 방위사업청·국방과학연구소의 “2010 핵심기술과제(2010년 6월-2013년 12월)”을 통해 현대로템(주), ㈜미트 등과 함께 관련 연구를 진행해 왔다.

그 결과, 이스라엘, 중국 등에서 개발된 기존 금속공기전지(에너지 밀도 220~280Wh/kg 수준)에 비해서는 40% 이상, 리튬이온전지(최대 200Wh/kg 수준)의 경우 거의 2배에 달하는, 세계 최고의 에너지 밀도의 전지 시스템을 개발하는데 성공했다.

연구팀은 우선, 코발트(Co) 나노분말 촉매를 사용하여 산소가 환원할 때의 저항을 최소화한 양극을 국산화 개발하고, 화학적 부식을 억제하여 80%의 연료이용률을 달성한 금속음극 재료를 개발했다. 이어 산화된 연료를 재생할 수 있는 장치개발 및 기술을 확보하고, 국방과학연구소(ADD)와의 모델링 및 시뮬레이션(Modeling & Simulation) 공동연구를 통해 고에너지밀도 아연금속공기전지를 개발하는데 성공했다.

이번 성과는 폭발 위험성이 없으면서도, 납축전지의 5배, 리튬전지의 2배 에너지를 저장할 수 있는 고용량 전지시스템 개발함으로써 공기와 아연금속만을 재료로 사용하는 친환경 전지시스템 시대를 개척했다는데 그 의미가 있다. 또한 풍부한 금속자원 중 하나인 아연을 이용함으로서 전지 제작단가를 리튬전지의 1/10 수준으로 낮출 수 있다는 장점도 있다.

개발된 아연공기전지는 고에너지 밀도의 특성을 살려 무인정찰기(Unmanned Aerial Vehicle), 초소형 무인항공기(Micro Air Vehicle), 개별병사의 운용전원 등 장시간 사용이 요구되는 다양한 무기체계에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 또 폭발이나 화재의 위험이 없어 병사의 군복에 부착이 가능한 ‘입을 수 있는 전지(wearable power)’로 적용 가능하며, 안전과 사용시간이 중요한 민수 응용분야에도 적용할 수 있다.전기자동차에 장착할 경우, 주행거리 2배 확장 효과와 더불어 독립발전 전원으로 사용이 가능하다. 아울러 고출력 전원장치와의 하이브리드화를 통해 고출력을 요하는 체계의 운영시간 증대와 소형화를 기대할 수 있다.

연구팀은 향후 군용무기체계(병사체계, 무인체계) 적용을 위한 발전 연구 및 민수용 전원 응용과 관련한 후속 연구를 계속해 나갈 계획이다.

한편, 일본 야노경제연구소는 금속공기전지의 세계 시장 규모를 2012년 270억엔(약 3500억원)에서 오는 2025년 410억엔(약 5375억원)에 달할 것으로 전망했다.