전력 전자의 기술 동향 - 아연-공기 (Zinc-air) 배터리 -

차세대 배터리 기술 중 또 다른 하나인 아연-공기 (Zinc-air) 배터리 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

-  아연-공기 (Zinc-air) 배터리 소개 -

 

Wein Cell 사의 아연-공기(Zinc-air) 배터리

 

아연-공기 배터리는 공기 중의 산소를 음극으로, 금속 아연을 양극으로 사용하고 그 사이에 알칼리성 전해질을 사용하는 배터리 유형입니다. 배터리가 방전되면 양극에서 전자가 방출되는 동안 아연 이온이 전해질에 용해됩니다. 동시에 공기 중의 산소가 음극의 물 및 전자와 반응하여 수산화 이온을 형성하고, 이 수산화 이온이 아연 이온과 결합하여 수산화아연을 형성합니다. 이 반응은 장치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전류를 생성합니다.
아연 공기 배터리는 에너지 밀도가 높기 때문에 크기와 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 또한 상대적으로 저렴하고 배터리에 사용되는 아연은 풍부하고 쉽게 구할 수 있습니다. 아연 공기 배터리의 주요 장점 중 하나는 아연 양극을 교체하여 쉽게 충전할 수 있어 특정 애플리케이션에서 리튬 이온 배터리의 잠재적인 대안이 될 수 있다는 것입니다.

 

아연-공기 배터리의 이론적 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리의 두 배 이상인 약 1,340Wh/kg으로 매우 높습니다. 그러나 실제로 아연-공기 배터리의 에너지 밀도는 배터리 패키징의 무게, 공기 채널과 전해질의 필요성, 배터리 수명 동안 일정한 방전 전압을 유지해야 하는 문제 등 다양한 요인으로 인해 더 낮습니다.

현재 상용 아연-공기 배터리의 에너지 밀도는 약 150Wh/kg에서 300Wh/kg으로, 약 150Wh/kg에서 300Wh/kg 범위의 에너지 밀도를 가진 리튬 이온 배터리에 비해 낮습니다. 하지만 새로운 전극 소재를 개발하고 전극 표면적을 늘리기 위해 나노 기술을 사용하는 등 아연-공기 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위한 연구가 진행 중입니다. 아연-공기 배터리의 에너지 밀도는 다른 배터리 기술보다 낮을 수 있지만, 저비용, 높은 안전성, 풍부하고 널리 사용 가능한 재료의 사용으로 인해 전기 자동차 및 그리드 규모의 에너지 저장과 같은 특정 애플리케이션에 매력적인 옵션이 될 수 있습니다.

 

아연 공기 배터리에는 기본형과 충전식의 두 가지 주요 유형이 있습니다.
기본 아연 공기 배터리는 일회용 용도로 설계되었으며 충전할 수 없습니다. 일반적으로 보청기와 같은 소형 전자 장치에 사용되며, 높은 에너지 밀도와 긴 사용 시간으로 인해 매력적인 옵션입니다.
반면에 충전식 아연-공기 배터리는 충전하여 여러 번 사용할 수 있습니다. 아직 개발 중이며 상업적으로 널리 사용되지는 않지만 에너지 저장 산업의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 충전식 아연-공기 배터리는 풍력이나 태양광과 같은 재생 에너지원의 에너지를 저장하는 데 사용할 수 있으며, 전기 자동차에도 사용할 수 있습니다.

아연 공기 배터리는 이미 일부 실제 애플리케이션에서 사용되고 있으며, 더 많은 분야에서 사용될 수 있는 잠재력이 있습니다. 다음은 몇 가지 예시입니다.

 

아연-공기 배터리의 실생활을 사용 예시

1.보청기

아연 공기 배터리의 가장 일반적인 용도 중 하나는 보청기입니다. 긴 사용 시간과 높은 에너지 밀도를 제공하기 때문에 배터리로 구동되는 소형 장치에 탁월한 선택입니다.

2. 원격 센서

아연 공기 배터리는 환경 모니터링, 기상 관측소, 농업에 사용되는 원격 센서에도 사용됩니다. 아연 공기 배터리는 교체할 필요 없이 몇 달 또는 몇 년 동안 사용할 수 있기 때문에 이러한 용도에 적합합니다.

3. 백업 전원

아연 공기 배터리는 가정과 기업에서 백업 전원으로 사용할 수 있습니다. 에너지 수요가 적은 오프 피크 시간에 충전했다가 피크 시간에 사용하면 전력망의 부담을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 전기 자동차

아연 공기 배터리는 리튬 이온 배터리의 대안으로 전기 자동차에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 아연 공기 배터리는 에너지 밀도가 높아 주행 거리가 더 길어질 수 있으며 리튬 이온 배터리보다 안전하고 환경 친화적입니다.

5. 그리드 규모의 에너지 저장

아연-공기 배터리는 그리드 규모의 에너지 저장에도 사용할 수 있습니다. 재생 에너지 생산량이 많을 때 충전했다가 수요가 많을 때 사용하여 전력망의 균형을 맞추고 화석 연료 기반 발전소의 필요성을 줄일 수 있습니다.

 

-  아연-공기 (Zinc-air) 배터리 기술의 역사와 현재 동향 -

 

아연-공기 배터리 기술의 역사는 19세기로 거슬러 올라갑니다. 아연-공기 배터리는 1839년 오귀스트 드 라 리베라는 프랑스 과학자가 최초로 개발했습니다. 그는 아연 전극이 공기에 노출되면 대기 중 산소와 반응하여 전기를 생산할 수 있음을 입증했습니다.
20세기 초, 여러 발명가와 과학자들이 아연-공기 배터리를 연구하고 성능을 개선하기 위해 계속 노력했습니다. 1932년 독일의 과학자 칼 부첼 박사는 제2차 세계대전 중 잠수함 탐지 장비에 전력을 공급하는 등 군사용으로 사용되는 실용적인 아연-공기 배터리를 개발했습니다. 1960년대와 1970년대에 아연 공기 배터리는 보청기에 사용하기 위해 추가로 개발되었습니다. 이 배터리는 작고 가벼우며 작동 시간이 길어 보청기에 이상적인 전원 공급원이었습니다.
최근에는 안정적이고 비용 효율적인 에너지 저장에 대한 필요성이 커짐에 따라 아연 공기 배터리에 대한 연구가 증가했습니다. 1990년대에 영국 사우샘프턴 대학교의 연구원들은 습기로 인한 배터리 손상을 방지하기 위해 새로운 전해질을 사용한 충전식 아연 공기 배터리를 개발했습니다. 오늘날 아연-공기 배터리는 소형 전자 기기부터 전기 자동차, 그리드 규모의 에너지 저장 장치에 이르기까지 다양한 용도로 사용하기 위해 여전히 연구되고 개선되고 있습니다. 현재 진행 중인 연구는 아연-공기 배터리의 효율성, 수명, 안전성을 개선하고 비용을 절감하고 에너지 밀도를 높이는 데 초점을 맞추고 있습니다.

아연-공기 배터리 기술의 현재 동향은 성능 개선, 에너지 밀도 증가, 비용 절감에 초점을 맞추고 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.

 

아연-공기 배터리의 최근의 연구 방향

1. 충전식 아연-공기 배터리

아연-공기 배터리 기술에서 가장 흥미로운 트렌드 중 하나는 충전식 아연-공기 배터리의 개발입니다. 이 배터리는 잠재적으로 높은 에너지 밀도와 낮은 비용을 제공하여 전기 자동차 및 그리드 규모의 에너지 저장을 위한 리튬 이온 배터리의 매력적인 대안이 될 수 있습니다.

2. 나노기술

나노 기술은 전극의 표면적을 늘려 아연-공기 배터리의 성능을 개선하는 데 사용되고 있습니다. 이를 통해 배터리의 효율을 개선하고 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.

3. 고체 전해질

연구자들은 아연-공기 배터리에 고체 전해질을 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 고체 전해질은 잠재적으로 배터리의 안정성을 개선하고 습기에 대한 민감성을 줄일 수 있습니다.

4. 아연-공기 흐름 배터리

아연-공기 흐름 배터리는 액체 전해질과 플로우 스루 시스템을 사용하는 새로운 유형의 아연-공기 배터리입니다. 이 설계는 배터리 수명을 개선하고 그리드 규모의 에너지 저장에 사용할 수 있습니다.

5. 재활용

아연-공기 배터리 기술의 또 다른 트렌드는 사용한 배터리에서 아연 및 전해질과 같은 귀중한 물질을 회수하는 재활용 방법의 개발입니다. 이를 통해 새 배터리 제조 비용을 절감하고 아연-공기 배터리를 보다 지속 가능한 에너지 저장 설루션으로 만들 수 있습니다.

전반적으로 아연-공기 배터리 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 지속적인 연구를 통해 이 유망한 에너지 저장 장치의 성능을 개선하고 비용을 절감할 수 있는 더 많은 방법을 발견할 수 있을 것으로 보입니다.

-  아연-공기 (Zinc-air) 배터리 기술의 한계점들 -

 

아연-공기 배터리 기술은 많은 잠재적 이점이 있지만 고려해야 할 몇 가지 한계도 있습니다:

1. 제한된 수명

아연-공기 배터리는 수명이 제한되어 있으며 일반적으로 수백 번의 충전-방전 주기 동안 지속됩니다. 이는 수천 회를 사용할 수 있는 리튬 이온 배터리에 비해 단점입니다.

2. 습기에 대한 민감도

아연 공기 배터리는 수분에 매우 민감하므로 전해액이 공기 중의 수분과 반응하는 것을 방지하기 위해 밀폐 포장이 필요합니다. 이로 인해 특정 애플리케이션에서 사용이 제한되고 비용이 증가할 수 있습니다.

3. 느린 방전 속도

아연-공기 배터리는 다른 배터리 기술에 비해 방전 속도가 느리기 때문에 고전력 애플리케이션에서 사용이 제한될 수 있습니다.

4. 제한된 전력 밀도

아연 공기 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 전력 밀도가 낮기 때문에 높은 수준의 전력을 빠르게 공급할 수 있는 용량이 적습니다.

5. 재활용 문제

아연 공기 배터리는 구조가 복잡하고 아연 및 전해액과 같은 귀중한 소재를 회수해야 하기 때문에 재활용이 어려울 수 있습니다.

6. 불완전 충전

아연-공기 배터리는 불완전 충전이 발생할 수 있으며, 이로 인해 전체 에너지 저장 용량이 감소할 수 있습니다.

이러한 한계에도 불구하고 아연-공기 배터리는 여전히 많은 잠재적 응용 분야를 가진 유망한 기술입니다. 이러한 한계를 해결하고 배터리의 성능과 수명을 개선하기 위해 지속적인 연구와 개발이 진행되고 있습니다.

이상,  아연-공기 (Zinc-air) 배터리 대하여 포스팅을 마치겠습니다.