알루미늄 공기 배터리: 작동 원리는 무엇인가?
배터리는 매우 무겁습니다. 이러한 단점 때문에 배터리는 가벼움이 중요한 많은 장치와 응용 분야에서 에너지원으로 사용되지 않습니다.
알루미늄 공기 배터리는 이 문제를 해결합니다. 공기를 캐소드로 사용하여 무게를 크게 줄입니다.
알루미늄 공기 배터리에서는 알루미늄이 아노드로 사용되고 공기(공기 중의 산소)가 캐소드로 사용됩니다. 이를 통해 배터리의 단위 무게당 생성되는 에너지 밀도가 다른 일반적인 배터리들에 비해 매우 높아집니다.
그럼에도 불구하고 알루미늄 공기 배터리는 주로 아노드 제조의 높은 생산 비용과 공기 중의 이산화탄소로 인한 알루미늄 아노드의 부식 문제로 상업적으로 생산되지 않습니다. 이러한 이유로 이 배터리는 주로 군사용으로 제한되어 사용됩니다.
알루미늄 공기 배터리의 높은 에너지 밀도는 전기 자동차에서 사용될 가능성이 높음을 의미합니다.
알루미늄 공기 배터리를 만드는 것은 매우 간단하며, 가정에서 쉽게 구할 수 있는 재료로 만들 수 있습니다. DIY(자작) 가이드를 통해 알루미늄 공기 배터리를 만들어 보겠습니다.
알루미늄 공기 배터리 실험
이 실험을 위해 필요한 재료는 다음과 같습니다,
알루미늄 호일
염수 포화 용액
부풀어 오르는 종이
미세한 숯가루
두 개의 작은 전선과
하나의 발광 다이오드
간단한 알루미늄 공기 배터리 제작 절차
알루미늄 호일을 한 장 펼칩니다. 솥에 염수 포화 용액을 만듭니다. 부풀어 오르는 종이를 준비합니다. 부풀어 오르는 종이를 염수 포화 용액에 적신 후, 알루미늄 호일 위에 펼칩니다. 그 다음 미세한 숯가루를 부풀어 오르는 종이 위에 뿌립니다. 절연되지 않은 전선을 숯가루 위에 놓고, 같은 크기의 염수 포화 용액에 적신 부풀어 오르는 종이로 덮습니다. 전체를 단단히 말아서 숯가루가 알루미늄 호일과 직접 접촉하지 않도록 합니다. 절연된 부분의 전선이 말린 것의 한쪽 끝에서 나옵니다. 다른 전선을 가져와서 알루미늄 호일에 고정합니다. 이제 두 개의 전선(하나는 숯에서, 다른 하나는 알루미늄 호일에서)을 저전력 발광 다이오드(LED)와 연결하고, 롤을 손가락으로 누르면 LED가 켜집니다.
알루미늄 공기 배터리 작동 원리
오른쪽 그림에서 알루미늄 공기 배터리는 은 기반 촉매로 만들어진 공기 캐소드를 가지고 있으며, 이는 CO₂가 배터리 내부로 들어가는 것을 막지만 O₂는 전해질로 들어갈 수 있도록 돕습니다. 이 산소는 KOH 전해질 용액의 H₂O와 반응하여 전해질로부터 전자를 받아 OH⁻ 이온을 생성합니다. 이러한 이온들은 알루미늄 아노드와 결합하여 Al(OH)₃을 생성하고 전자를 방출합니다. 이러한 전자들은 외부 회로를 통해 알루미늄 캐소드에서 공기 아노드로 흐르며, 캐소드 환원 반응으로 인한 전해질 솔루션의 전자의 부족을 보완합니다.
알루미늄 공기 배터리의 화학 반응
네 개의 알루미늄 원자와 세 개의 산소 분자, 그리고 여섯 개의 물 분자가 반응하여 네 개의 알루미늄 수산화물을 생성합니다.
알루미늄 공기 배터리 방정식
아노드 산화 반응(반반응),
캐소드 환원 반응(반반응),
총 반응,
Phinergy는 알루미늄 공기 배터리와 아연 공기 배터리와 같은 금속 공기 배터리의 활용에 집중하는 유명한 이스라엘 개발 회사입니다. 금속 공기 배터리의 특징은 주변 공기에서 산소를 얻는 것입니다. 알루미늄 공기 배터리는 매우 높은 에너지 밀도를 가지며, 알루미늄 1파운드당 300Wh까지 달성할 수 있습니다. 또한 전력 밀도도 매우 높으며, 약 30W/lb입니다.
이러한 타입의 배터리는 전기적으로 충전할 수 없습니다. 기본적으로 일회용 배터리입니다. 그러나 기계적 충전 과정을 통해 충전의 어려움을 극복할 수 있습니다. 알루미늄 공기 셀의 기계적 충전은 알루미늄 전극을 교체함으로써 이루어집니다. 이 과정을 통해 배터리는 방전 상태에서 완전 충전 상태로 돌아갈 수 있습니다. 높은 에너지 및 전력 밀도, 기계적 충전의 편의성 덕분에 알루미늄 공기 배터리는 향후 자동차에서 석유 연료의 가장 적합한 대안이 될 수 있습니다. 이러한 배터리는 매우 낮은 환경 영향을 가집니다.
이 기술의 주요 단점은 CO₂와 알루미늄의 반응입니다. 알루미늄은 공기 중의 CO₂로 인해 매우 쉽게 부식됩니다. 이 문제는 CO₂가 알루미늄 시트에 도달하지 못하도록 하는 특수한 공기 전극을 도입함으로써 극복할 수 있습니다. Phinergy는 은 기반 촉매를 사용하는 공기 전극을 개발하였으며, 이 구조는 O₂가 알루미늄 시트로 들어가도록 하면서 CO₂가 들어가는 것을 막습니다.
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