아연공기전지(Zinc–air battery)는 음극에 아연(Zn)을, 양극에 공기 중의 산소(O₂)를 사용하는 전기화학 전지이다. 공기아연전지라고도 불리며, 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지 중 하나로 주목받고 있다.
역사
아연공기전지의 기원은 1868년 Leclanché가 제작한 전지로 거슬러 올라간다. 당시 Leclanché는 전해액이 양극의 윗부분을 습하게 유지할 때 전지 성능이 더 우수하다는 사실을 발견하였고, 이는 대기가 양극에 영향을 미친다는 것을 의미하였다. 이후 Maiche가 이산화망간을 제거하고 백금(Pt)을 첨가하여 최초의 순수한 공기-아연전지를 발명하였다. 1932년 Heise 등은 알칼리 전해액을 사용한 공기-아연전지를 제작하였고, 이는 미국 Union Carbide Company에 의해 상품화되었다. 1950년경 미국 National Carbon Company는 보청기 전원용 소형 공기-아연전지를 개발하여 상용화하였다.
화학 반응
아연공기전지의 기본 화학반응식은 다음과 같다.
- 양극 반응: Zn + 4OH⁻ → Zn(OH)₄²⁻ + 2e⁻ (E⁰ = -1.25 V)
- 음극 반응: ½O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ (E⁰ = 0.40 V, pH=11)
- 전체 반응: 2Zn + O₂ → 2ZnO (E⁰ = 1.65 V)
이론상 전지전압은 1.65V이지만, 개방회로전압에서는 1.45V, 실제 방전 시에는 1.35V 이하로 공급된다.
구조
아연공기전지는 기본적으로 알카라인 전지의 구성을 가지나, 양극 활물질로 공기 중의 산소를 사용한다는 차이점이 있다. 양극은 외부로부터 확산층(diffusion layer), 집전체(current collecting layer), 촉매 활성층(catalytically active layer)의 세 층으로 구성된다. 확산층을 통해 공기가 유입되며, 촉매층에서 산소와 전해질 내의 물이 반응하여 수산화이온(OH⁻)을 형성한다. 이 수산화이온이 분리막을 통해 이동하여 아연 음극과 만나 산화아연(ZnO)을 형성하는 원리이다.
유형
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1차 전지(일차전지): 소형 버튼형 전지부터 대형 전지까지 다양한 크기로 존재한다. 보청기, 원격 측정장치, 호출기 등에 사용된다. 공기 통로를 봉합한 상태로 보관하며, 사용 시 봉합을 제거하면 작동이 개시된다.
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기계적 충전 전지: 방전된 음극을 제거하고 새로운 음극으로 교체하여 사용하는 방식이다. 아연을 슬러리 형태로 이용하거나, 연료전지 형태로 아연을 지속 공급하는 방식도 가능하다.
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2차 전지(충전식): 전기적 충·방전이 가능한 형태이다. 그러나 아연 부식, 충·방전 반응의 비가역성, 전해질 내 carbonate 생성, 수소발생반응(HER) 등의 문제로 인해 사이클 수명이 긴 전지를 만드는 데 아직 제약이 있다.
특성
아연공기전지는 비에너지가 실제 기준 약 470 Wh/kg, 이론상 약 1,370 Wh/kg에 달하며, 에너지 밀도는 1,480~9,780 Wh/L 수준으로 배터리 시스템 중 가장 높은 수준에 속한다. 리튬이온전지보다 폭발 위험이 적어 안전성이 뛰어나며, 수용성 전해질을 사용하므로 화학적 안정성도 우수하다. 또한 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경적 특성을 지닌다.
단점으로는 방전 과정에서 아연 표면에 생성되는 수산화아연이 저항으로 작용하여 전지 성능이 저하되고 부피가 팽창한다는 점이 있다. 또한 대부분의 상용 아연공기전지는 충전이 불가능한 1차 전지이며, 충전식 시스템은 아직 연구 개발 단계에 있다.
현황
과거 미군의 군용 배터리로 사용되었으나 현재는 생산이 중단된 상태이다. 현재는 한국생산기술연구원 등 국내외 연구기관에서 아연공기전지의 수명 문제 해결 및 상용화를 위한 연구가 진행 중이며, 겔 전해질 성능 향상, 이중원자 촉매 개발 등을 통해 10년 내 상용화를 목표로 하고 있다.
