전기 비행기 가능?…에너지 밀도 높인 소듐 공기 배터리 프로토타입 공개

전기차 시대를 연 일등공신은 리튬 이온 배터리입니다. 리튬 이온 배터리는 과거 사용되던 납 축전지에 비해 에너지 밀도가 매우 높고 상대적으로 가벼우며 자가 방전이 일어나는 정도도 작아 전자기기는 물론 자동차용으로 적합합니다. 여기에 전고체 배터리 같은 차세대 배터리가 상용화되면 내연기관에서 전기차로의 전환은 가속도가 붙을 것으로 예상되고 있습니다.

하지만 차세대 전고체 배터리로도 전기 비행기 상용화는 쉽지 않을 것으로 보고 있습니다. 실용적인 전기 비행기 개발을 위해서는 배터리의 에너지 밀도가 1000Wh/kg 이상 되어야 하는데, 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 300Wh/kg 이내이고 전고체 배터리도 500Wh/kg 정도를 예측하고 있기 때문입니다.

따라서 과학자들은 자동차를 외에 선박, 기차, 항공기, 트럭 등의 전동화를 위한 차세대 배터리 개발에 나서고 있습니다. 이런 시도들 가운데 하나가 금속 공기 전지입니다. 금속 금속 공기 전지 (metal air battery)는 금속과 공기를 전지의 음극과 양극으로 사용하는 형태의 배터리로 군용으로 상용화된 아연 공기 전지가 대표적 사례입니다.

금속 공기 전지는 음극 역할을 하는 금속과 반응이 일어나는 부분만으로 구성되어 있어 에너지 밀도가 높으며 양극인 공기 중 산소와 분리된 덕분에 화재 위험성이 낮습니다. 따라서 전기 비행기에 필요한 1000Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 쉽게 달성할 수 있습니다.

하지만 전기를 내놓는 산화 과정과 달리 충전하는 환원 과정이 쉽지 않아 사실상 일차전지로 사용해야 하기 때문에 널리 쓰이지 못하고 있습니다.

MIT의 옛-밍 치앙 교수 연구팀은 일반적으로 사용되는 아연이나 리튬보다 훨씬 구하기 쉬운 소듐 (나트륨)을 이용한 소듐 공기 전지 프로토타입을 개발해 에너지 관련 학술지인 줄 (Joule)에 발표했습니다.

소듐은 소금을 통해 매우 쉽게 구할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받는 물질입니다. 기본적으로 소듐 이온 배터리 형태로 개발이 한창이고 상용화가 시작된 상황이지만, 연구팀은 소듐이 금속 공기 전지 소재로도 유망하다고 보고 연구를 진행했습니다.

연구팀이 개발한 프로토타입은 사실 이차 전지보다는 연료 전지에 가까운 형태입니다. 공기와 액체 소듐이 전지 역할을 하고 그 사이에 있는 고체 세라믹 층이 전해질과 같은 역할을 담당합니다. 투명한 H 형 튜브 안에는 산소를 공급하는 공기와 가열해 액체 상태로 만든 소듐 사이에 다공성 공기 전극과 세라믹 층으로 존재합니다. (사진)

물론 중요한 것은 이런 기술적인 내용보다 에너지 밀도입니다. 연구팀에 따르면 이 프로토타입의 에너지 밀도는 1,700Wh/kg에 달합니다. 하지만 그렇다고 해서 곧 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 건 아닙니다.

기존의 금속 공기 전지와 마찬가지로 연구팀이 개발한 소듐 공기 전지 역시 방전 후 충전이 쉽지 않다는 한계가 있습니다. 따라서 카트리지 형태로 교체하는 방안을 생각하고 있습니다. 소듐은 쉽게 구할 수 있는 물질인 만큼 소듐 카트리지를 새로 교체해 1차 전지처럼 사용하는 것입니다.

하지만 궁극적으로는 리튬 이온 배터리처럼 충방전이 쉬우면서 에너지 밀도까지 높은 차세대 금속 공기 배터리 개발이 모든 배터리 개발자의 목표일 것입니다. 이를 위해 MIT뿐 아니라 우리나라를 포함한 세계 각국의 과학자들이 연구에 몰두하고 있습니다. 누가 가장 먼저 실용적인 차세대 금속 공기 전지 개발에 성공하게 될지 궁금합니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com