알루미늄과 공기로 달리는 전기자동차

 

에너지 위기 및 지구온난화 문제가 지속되면서 전기자동차가 다시 각광을 받고 있다. 특히 미국의 전기자동차인 테슬라(Tesla)가 최근 들어 공전의 히트를 기록하면서, 전기자동차의 대중화 가능성도 한층 밝아진 상황이다.

 

하지만 아직은 가솔린 자동차에 비해 가격이 비싸고, 주행거리도 짧다는 전자자동차의 단점이 해결되지 못한 상황이다. 뿐만 아니라 운행 중간에 전기를 보급할 수 있는 충전소도 거의 전무한 상태다. 따라서 전기자동차 사용자는 먼 거리를 운전하는 것을 주저하게 되고, 이런 점들이 모여 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다.

 

그런데 최근 미국과 이스라엘의 공동 연구진이 새로운 공기 전지 시스템을 통해 장거리 운행도 가능한 전기자동차를 개발했다는 소식이 전해져 주목을 끌고 있다. 과학기술 전문 매체인 phys.org는 이스라엘의 벤처기업인 핀너지(Phinergy)사가 세계적인 알루미늄 제조업체인 알코아(Alcoa)사와 손을 잡고 새로운 개념의 하이브리드 전기자동차를 선보였다고 최근 보도했다.

 

 

핀너지사가 공개한 시제품 형태의 전기자동차는 알루미늄-공기 전지(Aluminium-air battery)를 사용한다. 알루미늄-공기 전지란 알루미늄이 물과 반응하여 수산화알루미늄으로 변화될 때, 전기를 발생시키는 원리를 이용한 전지를 말한다.

 

알루미늄-공기 전지는 알루미늄 양극과 촉매 작용을 하는 공기 음극으로 구성된 일차전지다. 이차전지인 리튬-이온 전지처럼 재충전을 할 수가 없다. 반면에 에너지 저장 밀도는 상당히 높다. 따라서 이 전지로만 작동하는 전기자동차가 만들어진다면, 이론적으로는 수천 킬로미터 씩 주행이 가능하다는 계산이 나온다.

 

알루미늄-공기 전지의 개발은 다른 금속-공기 전지들처럼 1960년대에 이루어졌다. 비교적 이른 시기에 개발됐음에도 불구하고 지금까지 상용화 되지 못한 이유는 이 전지만이 가지고 있는 단점 때문이다.

 

 

알루미늄-공기 전지에서 전기를 발생시키는 반응을 지속시키려면, 물을 계속 공급해 줘야 한다. 그리고 시간이 지날수록 쌓이는 수산화알루미늄도 제거해야 한다. 따라서 이런 번거로운 점들 때문에 에너지 저장 밀도가 높음에도 불구하고 이 전지는 그동안 널리 사용되지 못했다.

 

이에 공동 연구진은 전지의 수명을 늘리기 위해 기존 알루미늄-공기 전지가 가지고 있던 재료와 프로세스, 구성요소를 조사했다. 그 결과 은을 기반으로 한 새로운 촉매를 적용하여 전지의 수명을 수천 시간 정도 연장시키는 데 성공했다.

 

또한 연구진은 새로운 촉매를 통해 수명이 길어지는 효과뿐 만 아니라, 전기화학적인 성능이 높아지고 재활용도 쉬워지는 부수적인 성과도 거뒀다. 현재까지의 결과만 놓고 보면, 사용자는 배터리의 기능을 유지시키기 위해 한 달에 1~2회 정도만 물탱크에 물을 보충해 주면 되는 것으로 나타났다.

 

수명이 길어진 알루미늄-공기 전지를 확보한 공동 연구진은 이 전지가 가진 장점은 최대한 활용하되, 부족한 부분은 보완할 수 있도록 하이브리드 전지 시스템을 자동차에 적용하는 전략을 세웠다.

 

연구진은 전기자동차에 사용하는 리튬-이온 전지를 함께 사용하면, 알루미늄-공기 전지가 장착된 전기자동차가 대폭 늘어난 장거리까지 운행할 수 있다는 점을 파악했다. 운행거리가 짧은 전기자동차의 최대 약점을 보완할 수 있게 된 것이다.

 

연구진의 설명에 따르면 이 하이브리드 전지 시스템을 사용할 때 알루미늄-공기 전지는 고속도로 등 장거리를 주행할 때 사용되고, 리튬-이온 전지는 도심지역과 같은 50킬로미터 이내의 단거리를 운행할 때 사용되는 것으로 파악됐다.

 

이와 관련하여 핀너지의 관계자는 “하이브리드 전지 시스템이 장착된 자동차는 대부분의 운행을 리튬-이온 전지에 의존하게 되지만, 이 전지가 방전되거나 장거리 운행에 들어가면 알루미늄-공기 전지를 사용하게 된다”고 전하면서 “하루를 기준으로 대부분의 자동차 운행이 50킬로미터 내외일 것이기  때문에, 알루미늄-공기 전지는 1년에 한 번 정도 교체해 주면 될 것으로 예상된다”고 말했다.

 

알루미늄-공기 전지는 ‘충전’ 방식이 아니라 ‘교환’ 방식이다. 금속인 알루미늄을 마치 공기가 들어있는 통조림의 포장용기처럼 활용하기 때문에 교환 방식이 채택됐다. 따라서 전지가 방전되면 전지에 있는 수산화알루미늄을 회수하여 새로운 전지에 들어가는 알루미늄 원료로 재이용된다.

 

 

연구진이 공개한 하이브리드 전지의 구조를 살펴보면, 배터리 속이 50개의 알루미늄 판으로 이루어져 있는 것을 볼 수 있다. 1개의 알루미늄 판으로 대략 32킬로미터 정도를 운행할 수 있기 때문에, 50개의 알루미늄 판을 모두 사용하면 대략 1,600킬로미터 정도까지 달릴 수 있다.

 

현재 자동차업계는 가솔린 자동차와 경쟁할 수 있는 성능을 가진 무공해 전기자동차의 등장을 기대하고 있다. 이에 대해 자동차 전문가들은 알루미늄-공기 전지를 장착한 자동차가 이런 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 후보로 점치고 있다.

 

특히 알루미늄-공기 전지의 구조가 무척 단순한 편이라 생산 단가도 높지 않을 것으로 추정했다. 다만 경쟁력 있는 비용을 유지하기 위해서는 규모의 경제가 필요기 때문에, 기존 자동차 제조사들의 채택여부가 대중화의 관건이 될 것으로 보고 있다.

 

이 같은 전문가들의 의견에 대해 핀너지 관계자도 “알루미늄-공기 전지의 효율이 지금보다 조금만 더 높아지게 되면, 운행거리 및 가격, 그리고 라이프사이클 면에서 휘발유 자동차와 비교하여 그 이상이 될 수 있을 것”이라고 주장했다.

 

한편 핀너지사는 알루미늄-공기 전지가 전기자동차 외에도 병원과 데이터 센서의 상용 비상 발전기 등과 같은 고정식 에너지 분야에 사용될 수 있을 것으로 예상하고 있다. 사용을 개시하기까지 무제한으로 저장해 놓을 수 있으며, 물을 추가하는 것만으로 전력을 생산해 낼 수 있기 때문이다.

 

이 외에도 이동주택과 무인 차량 등에 사용되는 범용 발전기 분야 및 국방용 무기와 같은 방위용도 등에 적합할 것으로 업계는 예측하고 있다.