"리튬 프리·화재 위험 제로"… 中, '아연-공기 전지 에너지 회수율 98%' 달성

글로벌 배터리 공급망을 옥죄는 리튬의 지정학적 무기화와 잇단 열폭주 화재 사고를 원천적으로 차단할 유력한 대안으로 주목받아 온 '아연-공기(Zinc-Air) 충전 배터리'의 치명적 난제가 풀렸다.

충·방전 과정에서 막대한 에너지 손실이 발생해 상용화의 발목을 잡아왔던 가역적 산소 반응 효율을 중국 연구진이 독자 개발한 '불소화 그래핀' 촉매를 통해 획기적으로 개선하며, 충전식 아연-공기 배터리에서 사상 유례없는 98%의 에너지 회수율(Round-trip Efficiency)을 달성했다.

10월 18일(현지시각) 북미 광물·소재 혁신 기술 전문 미디어 메탈테크뉴스(Metal Tech News) 보도에 따르면, 중국과학원(CAS) 산하 연구팀은 원자 수준에서 표면 구조를 정밀 제어한 비금속 '불소화 그래핀(Fluorine-engineered Graphene)' 전극 촉매를 적용해 실험용 충전식 아연-공기 전지의 에너지 손실을 사실상 '제로'에 가깝게 줄이는 데 성공했다고 공식 발표했다.


아연-공기 배터리는 음극에는 매장량이 풍부하고 저렴한 금속 아연을, 양극에는 대기 중의 산소를 흡수해 반응시키는 차세대 금속-공기 전지다.
특히 불이 붙지 않는 안전한 수계(물 기반) 전해질을 사용해 화재 및 폭발 위험이 전혀 없고, 리튬이온 배터리 대비 이론적 에너지 밀도가 최대 3~5배에 달해 대형 전력망 에너지저장장치(ESS) 시장의 이상적인 대안으로 꼽혀 왔다.

그러나 실제 충전과 방전을 반복할 때 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER) 사이의 극심한 과전압으로 인해 충입된 전력의 상당 부분이 열로 소실되는 고질적 한계가 있었다. 기존 기술은 값비싼 백금(Pt)이나 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 등 희귀 귀금속 촉매를 덕지덕지 투입하고도 에너지 회수율이 통상 60% 안팎에 머물러 경제성을 확보하기 어려웠다.

중국 연구팀은 이 난제를 귀금속 없이 순수 탄소 격자 구조를 변형하는 방식으로 정면 돌파했다. 그래핀 시트 표면에 불소(F) 원자를 정밀하게 도핑해 전하 분포를 재배치함으로써, 산소의 가역적 2전자 흡탈착 반응 활성을 극대화한 양기능성 촉매 아키텍처를 구현해 냈다.

그 결과 전압 강하를 획기적으로 낮추며 98.0%라는 경이적인 왕복 에너지 회수율을 기록했으며, 820시간 이상의 가혹한 장기 충·방전 사이클 테스트에서도 성능 저하 없이 안정적인 내구성을 입증했다.

이번 연구성과는 최근 미국 뉴욕주에서 발생한 대형 리튬이온 ESS 화재와 소화 폐수 유출에 따른 '영구 화학물질(PFAS)' 식수원 오염 파문으로 글로벌 전력망 인프라의 안전성 기준이 원점에서 재검토되는 시점과 맞물려 비상한 주목을 받고 있다.

리튬과 니켈, 코발트 등 특정 국가에 편중된 희귀 광물 공급망에 구애받지 않고, 지각 내 매장량이 풍부한 아연과 대기 중 산소를 연료로 삼는 아연-공기 전지가 98% 효율을 확보함에 따라 초대형 유틸리티 BESS(배터리 에너지저장장치) 시장의 판도 변화가 가시화될 전망이다.

연구진은 "이번에 개발된 단일 원자 불소화 그래핀 기술은 아연-공기 배터리뿐만 아니라 차세대 금속-공기 전지 전반의 내구성을 끌어올리고 현장형 과산화수소 전기화학 생산 등 다양한 청정 공정에 범용적으로 적용될 수 있다"며 "저렴한 원자재와 불연성 수계 전해질이 결합된 상용 전지 팩을 통해 글로벌 대용량 그리드 저장 시장에서 압도적인 균등화발전비용(LCOE) 경쟁력을 증명할 것"이라고 강조했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com