‘전기차 배터리 용량 3배’ 전지 탄생… 탄소제로 전기비행기 뜰까

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MIT, 액체나트륨 연료전지 개발
“벽돌 크기로 단거리 비행 가능”

매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리보다 3배 이상 많은 전기에너지를 저장할 수 있는 연료전지를 개발했다. 연구팀이 연료전지를 실험실에서 연구하는 모습. 그레첸 에르틀 제공

전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리보다 3배 이상의 전기에너지를 저장할 수 있는 연료전지가 개발됐다. 전기자동차 주행거리 증대는 물론이고 탄소를 배출하지 않는 전기항공기의 상용화를 앞당길 수 있을지 관심이 모인다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀은 에너지밀도가 kg당 약 1700Wh(와트시·1W의 전력을 1시간 생산한 전력량)를 구현한 연료전지를 개발했다. 액체 나트륨을 이용해 전기에너지를 생산하는 연료전지다. 연구 결과는 지난달 28일(현지 시간) 에너지 과학 분야의 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 공개됐다.

단위 무게나 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 뜻하는 에너지밀도는 높을수록 에너지를 효율적으로 저장할 수 있다. 현재 리튬이온 배터리는 kg당 약 300Wh의 에너지를 저장하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 리튬에 비해 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 액체 나트륨을 이용한 연료전지를 개발했다. 연료전지는 전기에너지 생산 연료인 액체 나트륨을 다 쓰면 연료를 다시 보충하는 방식의 전지로 충전하는 이차전지와는 다른 개념이다. 액체 나트륨은 고체 금속 나트륨을 녹여서 액체 상태로 만든 물질이다.

연구팀은 실험실에서 H 모양의 구조로 액체 나트륨 연료전지를 만들었다. 수직 유리관 두 개를 전해질 튜브로 연결한 H 모양이다. 한쪽 유리관에는 액체 나트륨이, 다른 쪽 유리관에는 공기가 흐르게 했다. 튜브에는 나트륨 이온만 통과시키는 세라믹 재질의 막인 ‘고체 세라믹 전해질’과 산소가 통과하면서 나트륨 이온과 반응하는 ‘다공성 공기 전극’을 넣었다. 연료전지에 공기를 많이 흐르게 하자 산소가 액체 나트륨을 소모하면서 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산했다.

이렇게 만든 연료전지의 에너지밀도를 확인한 결과 kg당 약 1700Wh의 에너지를 저장했다. 연료전지를 실제 제품에 사용할 수 있도록 하나의 시스템으로 만드는 경우 1000Wh 이상 저장할 수 있는 것으로 분석됐다. 현재 리튬이온 배터리에 비해 3배 이상의 에너지를 저장할 수 있는 셈이다.

지금까지 MIT 연구팀처럼 나트륨과 공기를 이용한 연료전지 연구가 진행됐지만 대부분 고체 나트륨 연구에 한정돼 있다. 고체 나트륨을 이용한 전지는 반응 부산물이 대부분 고체라 부산물이 전극을 방해해 전지의 수명이 짧은 한계가 있다. MIT 연구팀은 액체 나트륨과 공기 중 습도를 이용해 이 같은 한계를 극복했다. 높은 습도 환경에서는 부산물이 대부분 액체로 생성돼 고체에 비해 제거하기가 간편하다. 그 결과 연료전지의 에너지 생산효율이 높아졌다. 연구에 참여한 사히르 간티아그라왈 MIT 박사과정생은 “나트륨-공기 전지를 만들 때 습도를 조절하는 방법을 시도한 첫 사례”라고 평가했다.

연구팀은 이를 바탕으로 MIT 스타트업인 ‘프로펠 에어로(Propel Aero)’를 통해 벽돌 크기의 연료전지를 제작할 계획이다. kg당 약 1000Wh의 에너지를 저장하는 전지다. 대륙 횡단, 대서양 횡단은 불가능하지만 개별 국가 내에서 또는 인접한 지역으로 비행할 때 충분한 에너지양인 것으로 평가된다. 연구팀이 개발한 연료전지는 리튬이온 배터리에 비해 이산화탄소를 배출하지 않고 화재 위험이 낮아 안전하다는 장점이 있다. 옛밍 치앙 MIT 재료과학·공학과 교수는 “전기항공기를 대규모로 상용화할 수 있는 획기적인 기술”이라며 “선박, 철도 운송에도 사용할 수 있다”고 설명했다.

이채린 동아사이언스 기자 rini113@donga.com