제주대, 과황산염·알루미늄으로 리튬배터리 대체 가능성 확인

연료전지나 베터리 제조에 알루미늄 소재를 이용할 경우 친환경적이고 경제적이라는 것은 널리 알려졌지만, 이를 구현하기 위해서는 몇 가지 풀어야할 숙제가 있다. 이를 국내 연구진이 해결의 실마리를 내놨다. 상용화하면 파급력이 클 것으로 기대된다. 한국연구재단은 제주대학교 김상재 기계시스템공학과 교수 연구팀이 신개념 전기화학반응 설계를 통해 중소형 모빌리티 전력공급원으로 활용 가능한 알루미늄 기반 전기화학에너지 시스템(Al-EES)을 개발했다고 7일 밝혔다. 이 시스템은 제조 비용이 저렴하고, 친환경적인데다 고효율이라는 장점이 있다. 기존에 많이 사용하는 리튬이온 배터리는 폭발 위험성과 리튬 희소성 등으로 제조 비용이 상대적으로 크다. 연구팀은 금속과 공기를 조합하는 Al-EES에 주목했다. 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 ㎏당 5배 이상 높으면서도 안정성이 우수하다. 이산화탄소 등 환경유해요소를 배출하지 않는다. 그러나 상용화를 위해서는 알루미늄의 부식, 대체산소 환원반응을 위한 촉매 등을 해결해야 한다. 연구팀은 효율적인 전자수용체와 부식방지제 역할을 동시에 수행하는 과황산염(S2O82-)을 Al-EES의 양극액으로 활용했다. 이를 통해 양극설계를 단순화했다. 화학반응을 돕는 플라티늄이나 이리튬 등 고가의 촉매 대신 과황산염이 그 역할을 하도록 했다. 과황산염의 또다른 특징도 발견했다. 알루미늄을 음극재로 쓰면 부식으로 열화와 표면에 알루미늄 옥사이드가 증착되면서 제기능을 못하는데, 과황산염이 알루미늄 보호막 역할을 한다는 사실을 처음 확인했다. 테스트 결과 과황산염을 적용한 Al-EES의 에너지 밀도는 2천650Wh/㎏로 기존 Al-공기 배터리 (1,470Wh/㎏) 대비 1.8배 이상 증가했다. 김상재 교수는 "안정적인 전압출력(~2V)과 최대 방전 77시간을 기록했다"며 "새로운 개념의 전기화학적인 전력원 개발 아이디어를 실제 시스템으로 구현했다는 의미가 있다"고 설명했다. 김 교수는 "상용화 가능성을 염두에 두고, 향후 연구개발 사업을 계속 이어갈 계획"이라고 덧붙였다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업으로 수행됐다. 논문 제1저자는 제주대 나노재료 및 시스템연구실 에루말라이 비자야구말 연구원이다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 화제 논문(hot article, 8월11일자 온라인)에 실렸다.