아연공기전지

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1. 개요

아연공기전지는 1868년 조르주 르클라셰가 르클랑셰 전지를 발명하면서 시작된 기술로, 아연을 음극, 공기 중 산소를 양극으로 사용하는 전지이다. 1950년대 소형화되어 보청기에 사용되었으며, 1970년대에는 의료 기기에도 적용되었다. 1차 전지는 소형 버튼형부터 대형까지 다양한 크기로 제작되며, 2차 전지는 충전 및 방전의 어려움으로 인해 상용화에 어려움이 있다. 아연공기전지는 높은 비에너지와 저렴한 가격, 안전성 등의 장점을 가지고 있으며, 보청기, 과거 PHS, 무선 호출기 등에 사용되었고, 현재는 전기 자동차 및 에너지 저장 장치 분야에서 연구가 진행 중이다.

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아연공기전지
전반 정보
종류	전기 화학 전지
에너지 밀도	470 (실제), 1370 (이론상) Wh/kg (1.692, 4.932 MJ/kg)
에너지 밀도 부피	1480-9780 Wh/L (5.328–35.21 MJ/L)
전력 밀도	100 W/kg
공칭 전압	1.45 V
보청기용 아연-공기 전지
화학 반응

2. 역사

1868년 조르주 르클라셰(Georges Leclanché)가 르클랑셰 전지를 발명하면서 아연-공기 전지의 초기 역사가 시작되었다. 르클랑셰는 전해액이 항아리의 절반가량 채워져 양극의 윗부분이 습한 상태로 유지되었을 때가 전해액으로 완전히 잠겼을 때보다 전지의 성능이 우수하다는 사실을 발견했는데, 이는 대기가 양극에 영향을 미친다는 것을 의미했다. 이후, 여러 과학자들의 연구를 거쳐 아연-공기 전지가 개발되었다.^[48]

1932년 내셔널 카본 컴퍼니(National Carbon Company)의 조지 W. 하이세(George W. Heise)와 어윈 A. 슈마허(Erwin A. Schumacher)는 전극이 침수되는 것을 방지하기 위해 탄소 전극을 왁스로 처리하는 기술을 개발하여 전지를 제작했고, 이는 상업 제품 생산으로 이어졌다.^[5]

1950년대에는 소형 아연공기전지가 개발되어 보청기 등에 사용되었고, 1970년대 이후에는 연료 전지 연구를 기반으로 얇은 전극이 개발되면서 소형 버튼형 및 각기둥형 전지가 개발되어 의료 기기 등에 활용되었다.^[6]

2. 1. 초기 역사

1868년 프랑스의 조르주 르클라셰(Georges Leclanché)가 르클랑셰 전지를 발명하면서 아연-공기 전지의 초기 역사가 시작되었다. 르클랑셰 전지는 아말감화된 아연을 음극으로, 탄소 분말과 이산화 망간 혼합물을 양극으로 사용하고, 염화암모늄(NH₄Cl) 수용액을 전해액으로 사용했다. 르클랑셰는 전해액이 항아리의 절반가량 채워져 양극의 윗부분이 습한 상태로 유지되었을 때가 전해액으로 완전히 잠겼을 때보다 전지의 성능이 우수하다는 사실을 발견했는데, 이는 대기가 양극에 영향을 미친다는 것을 의미했다. Maiche는 르클라셰가 만든 전지에 이산화 망간을 제거하고 백금(Pt)을 탄소 분말에 첨가함으로써 최초로 순수한 공기-아연 전지를 발명하였다.^[48]

1878년, 다공성 백금화 탄소 공기 전극이 르클랑셰 전지의 이산화 망간과 동등한 성능을 발휘한다는 사실이 밝혀졌다.

1907년에는 프랑스의 펠리에(Féry)가 아연-공기 전지를 고안하였다.

1932년 내셔널 카본 컴퍼니(National Carbon Company)의 조지 W. 하이세(George W. Heise)와 어윈 A. 슈마허(Erwin A. Schumacher)는 전극이 침수되는 것을 방지하기 위해 탄소 전극을 왁스로 처리하는 기술을 개발하여 전지를 제작했고, 이는 상업 제품 생산으로 이어졌다.^[5] 이 방식은 항해 보조 장치와 철도 운송용 대형 아연-공기 전지에 주로 사용되었으나, 전류 용량이 낮고 전지가 부피가 크다는 단점이 있었다.

2. 2. 소형화 및 상용화

1950년경 미국의 내셔널 카본 컴퍼니(National Carbon Company)는 보청기 전원용 소형 아연공기전지를 개발하여 상품화했다. 이 전지는 전해액을 고정하고 비닐 플라스틱 케이스(vinyl plastic case)로 조립했으며, 공기 구멍(air hole)은 접착성 테이프로 밀봉하여 사용할 때 제거하도록 만들었다. 용량은 400mAh로, 상품화된 최초의 아연-공기 전지로 기록되었다.^[48]

1970년대 후반, 미국의 골드사(현재의 듀라셀)는 버튼형 아연공기전지를 개발했다. 1980년 일본에서 개발했지만, 특허 문제로 1986년에야 판매를 시작했다.

1990년대 유럽에서는 기계적 충전 방식(전해액과 음극 교환)의 아연-공기 전지를 전기 자동차 전원으로 시험했다.

3. 반응식

아연공기전지의 반응식은 여러 가지 형태로 나타낼 수 있다.^[2]

하위 섹션에서 일반적인 반응식과 산화 아연 상태를 고려한 반응식을 다룬다.

아연-공기 전지는 밀폐된 배터리 홀더에서는 사용할 수 없다. 일정량의 공기가 유입되어야 하기 때문이다. 1 암페어시(Ah)의 용량을 사용하기 위해서는 공기 1리터의 산소가 필요하다.

3. 1. 일반적인 반응식

아연공기전지의 기본적인 화학 반응식은 다음과 같다.^[2]

양극: Zn + 4OH⁻ → Zn(OH)₄²⁻ + 2e⁻ (E₀ = －1.25 V)
전해액: Zn(OH)₄²⁻ → ZnO + H₂O + 2OH⁻
음극: 1/2 O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ (E₀ = 0.40 V pH＝11)
전체 반응식: 2Zn + O₂ → 2ZnO (E₀ = 1.65 V)

산화 아연 상태를 사용하지 않는 경우의 반응식은 다음과 같다.

양극: Zn + 2OH^- → Zn(OH)₂ + 2e^- (E₀ = -1.25 V)
음극: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^- (E₀ = 0.4 V)
전체: 2Zn + O₂ + 2H₂O → 2Zn(OH)₂ (E₀ = 1.65 V)

아연-공기 전지는 밀폐된 배터리 홀더에서는 사용할 수 없다. 일정량의 공기가 유입되어야 하기 때문이다. 1 암페어시(Ah)의 용량을 사용하기 위해서는 공기 1리터의 산소가 필요하다.

3. 2. 산화 아연 상태를 고려한 반응식

아연공기전지의 기본적인 화학 반응식은 다음과 같다.^[2]

양극: Zn + 4OH⁻ → Zn(OH)₄²⁻ + 2e⁻ (E₀ = －1.25 V)
전해액: Zn(OH)₄²⁻ → ZnO + H₂O + 2OH⁻
음극: 1/2 O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ (E₀ = 0.40 V pH＝11)
전체 반응: 2Zn + O₂ → 2ZnO (E₀ = 1.65 V)

4. 구성

아연공기전지는 기본적으로 알카라인 전지의 구성을 가지고 있지만, 양극 활물질로 공기 중의 산소를 사용한다는 차이점이 있다.

양극은 외부로부터 순서대로 diffusion layer, current collecting layer(집전체), catalytically active layer의 세 층으로 구성된다. 그 중 diffusion layer를 통해 공기가 유입되며 전지 내부 용매인 물이 배출되는 것을 막아준다. 내부의 current collecting layer(집전체)는 전류 공급 경로이며, 외부에서 유입된 공기 중 산소와 전해질 내 물이 catalytical active layer에서 만나 수산화이온을 형성한다.

수산화이온은 분리막을 통해 이동하여 아연 음극과 만나 산화아연을 형성한다. 촉매층 물질로는 일차전지에 사용되었던 이산화망간 또는 유사 물질들이 사용된다. 이론상 전지 전압은 1.65V이지만, 개방회로전압에서 1.45V로 떨어지며, 실제 방전 시에는 1.35V 이하로 공급된다.^[49]

양극 측에는 "구멍"이라고 불리는 구멍이 여러 개 뚫려 있어 산소를 전지 내부에 공급한다. 보청기용 고출력 타입은 보통 것보다 구멍이 더 크다. 사용 전에는 양극 측에 산소를 차단하기 위한 실이 붙어 있는데, 이것을 떼어내고 사용한다. 한번 떼어내면 방전 상태가 되므로 시간이 지남에 따라 전지 수명이 짧아진다. 이 실을 다시 붙이면 열화를 억제하여 오래 사용할 수 있지만, 원래 전지에 붙어 있던 실 이외의 것으로는 불량의 원인이 될 수 있으므로 사용하지 않는 것이 좋다. 실을 떼어내도 바로 전력이 얻어지는 것은 아니며, 떼어낸 후 대략 1분 전후부터 전력을 얻을 수 있다.

5. 특성

아연공기전지(ZAFC)는 다른 연료전지와 기존의 리튬 2차 전지, Ni/Cd전지, 연축전지에 비해 에너지 밀도가 높다. 탄화수소를 개질하여 이산화탄소를 배출하는 일부 다른 연료전지 및 유기 전해질을 사용하는 리튬전지와 비교해 수용성 전해질을 사용하므로 안전성 면에서도 뛰어나다.^[50] ZAFC는 백금을 사용하는 PEMFC(고체고분자형연료전지)에 비하여 가격이 저렴하고, 수소 등 폭발성 가스를 사용하지 않기 때문에 상대적으로 안정적이다.^[50] 또한, ZAFC는 cathode의 재활용이 가능하며 대기 중의 산소가 일정하게 cathode의 기공을 통해 공급되어 Zn입자가 모두 ZnO로 산화되기까지 발전이 가능하다.^[50] 이론적으로 OCV가 1.65V로서 여타 연료전지에 비하여 에너지 밀도가 상대적으로 높다.^[50]

양극 측에는 "구멍"이라고 불리는 구멍이 여러 개 뚫려 있으며, 여기서 산소를 전지 내부에 공급한다. 보청기용 고출력 타입은 보통 것보다 구멍이 더 크다. 사용 전에는 양극 측에 산소를 차단하기 위한 실이 붙어 있는데, 이것을 떼어내고 사용한다. 한 번 떼어내면 방전 상태가 되므로, 시간이 지남에 따라 전지 수명이 짧아진다. 이 실을 다시 붙이면 열화를 억제하여 오래 사용할 수 있다. 하지만, 원래 전지에 붙어 있던 실 이외의 것으로는 불량의 원인이 될 수 있으므로 사용하지 않는 것이 좋다. 실을 떼어내도 바로 전력이 얻어지는 것은 아니며, 떼어낸 후 대략 1분 정도 후에 전력을 얻을 수 있다.

아연공기전지의 특성은 다음과 같다.

방전 시 전압 변동이 적다.
비교적 대용량이다.
저렴하다.

사용 환경에 따라 영향을 받는다.

기온은 20°C가 최적이며, 5°C에서는 현저하게 수명이 저하되므로, 추운 곳에서 사용할 경우에는 체온 등으로 보온할 필요가 있다. 차가워진 경우에는 따뜻하게 하면 수명이 회복된다.
습도는 60%가 최적이며, 그 이상이거나 그 이하에서는 충분한 성능을 발휘하지 못한다.
이산화탄소량은 2000ppm이 최적이다. 난방 기기에서 발생하는 이산화탄소에 의해 알칼리성 전해액이 탄산염을 생성하여 수명에 영향을 미친다. 따라서 공기 전지와 난로를 병용할 때는 충분히 환기를 하는 것이 사단법인 전지공업회에서 권장하고 있다. 한 번에 고농도의 이산화탄소에 접촉하면, 비가역적으로 수명이 저하될 가능성이 있다.

6. 종류

아연공기전지는 크게 1차 전지, 2차 전지, 기계적 충전 가능 전지로 나눌 수 있다.^[49]

1차 전지: 충전이 불가능한 전지로, 보청기나 원격 측정 장치 등에 사용된다.
2차 전지: 전기적으로 충전이 가능한 전지로, 1차 전지의 높은 에너지 용량을 활용하면서도 재사용이 가능하다. 하지만 아연 부식 등의 문제로 인해 수명이 길지 않다는 단점이 있다.
기계적 충전 가능 전지: 1차 전지와 유사하지만, 방전된 음극을 교체하거나 아연 연료를 지속적으로 공급하는 방식으로 재사용이 가능하다. 전해질을 주입하지 않고 보관하여 보존 기간을 늘릴 수 있다.

6. 1. 1차 전지 (Primary cell, 비충전식)

아연공기전지는 소형 버튼형 전지부터 대형 전지까지 다양한 크기로 제작된다. 보청기, 원격 측정 장치, 호출기 등에 사용된다.^[49] 버튼형 전지는 원형 셀 형태로 내부에 아연, 분리막, 전해질이 있으며, 공기 출입구가 있다. 전지의 음극으로는 전해질과 혼합하여 겔화(Gel)시킨 아연을 사용하며, 양극으로 사용하는 산소를 얻기 위해 버튼형 덮개에 촉매를 포함한 3층 구조가 있다. 양극과 음극 사이에는 격리막이 존재하며, 많은 에너지를 제공하기 위해 아연이 큰 부피를 차지한다. 양극 캔에는 작은 직경의 구멍이 있으며, 장시간 낮은 출력이 필요한 보청기용 전지는 1개의 구멍이 있다. 각형 구조는 한쪽 벽면을 양극으로 사용하고, 내부는 아연으로 채워진 형태이다.^[49]

1차 전지는 자체 부식을 억제하는 방식제를 포함하고 있으며, 전지의 작동을 방지하기 위해 공기 통로를 봉합한 상태로 보관하고 사용 시에 봉합을 제거한다. 작동 개시된 전지는 계속적이고 자발적인 활물질 소모가 진행되므로 전류 공급을 개시한 이후로의 사용 시간은 제한되어 있다.^[49]

대형 아연-공기 전지는 셀당 최대 2000ampere–hour 용량으로 항해 장비 및 마커 등, 해양 연구 및 철도 신호에 사용된다. 1ampere–hour 정도의 용량을 가진 1차 전지는 버튼 형태로 제작된다. 또한 9V 애플리케이션과 호환되는 직사각형 하우징으로도 제조되었지만, 8.4V의 출력만 제공했다. 이 제품은 "Tronox"라는 브랜드로 판매되었으며 의료용으로 사용되었다. 휴대용 장치를 위한 각기둥 형태는 5ampere–hour~30ampere–hour 사이의 용량으로 제조된다. 하이브리드 셀 음극에는 높은 피크 전류를 허용하기 위해 이산화 망간이 포함된다.^[6]

버튼 셀은 매우 효과적이지만, 공기 확산 성능, 열 방출 및 누액 문제로 인해 동일한 구조를 더 큰 크기로 확장하기가 어렵다. 각기둥형 및 원통형 셀 설계는 이러한 문제를 해결한다. 각기둥형 셀을 쌓으려면 배터리에 공기 채널이 필요하며 스택을 통해 공기를 강제로 통과시키기 위해 팬이 필요할 수 있다.^[6]

6. 2. 2차 전지 (Secondary cell, 충전식)

일차전지의 높은 에너지 용량을 연속적으로 활용하고, 기계적 충전 전지에서의 탈착에 대한 번거로움은 전기적 충전이 가능한 2차 전지의 개발로 해결할 수 있다. 다만 2차 전지는 아연의 부식으로 인해 발생하는 문제점이나 방전 반응 및 충전 반응의 비가역성, 자발적으로 생성되는 전해질 내의 탄산염(carbonate), 용매인 물의 감소, 저항 증가 등 문제점들에 기인한 방해 요인이 있어서 사이클 수명이 긴 전지를 만드는 데에 아직 제약이 있다.^[49] 특히 충방전에 관여하는 산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)과 부식 반응에 해당하는 수소 생성 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 성능에 많이 영향을 주므로 이 두 가지 반응의 특징을 개선해야 한다.^[49] ORR은 염기성 전해질에서 다음과 같이 반응이 진행된다.

:{O2} + {H2O} + 4e^- -> 4OH^-

:{O2} + {H2O} + 2e^- -> {HO2^-} + OH^-

:{HO2^-} + {H2O} + 2e^- -> 3OH^-

이 반응에서 발생하는 OH-가 음극인 아연과 반응하여 수산화 아연(zinc hydroxide)을 형성하며 연속하여 금속 산화물로 변이한다. HER은 아연의 부식에 의해 발생하는 잉여 전자가 물과 반응하여 발생하며 이 반응은 전지 용량을 줄이며 전지의 보존 기간을 단축한다.^[49] 전지 구조의 개선을 위해, 버튼형 중에서 음극으로 사용하는 아연을 가운데 두고 양극용 공기 전극을 음극의 양쪽에 두어서 2개의 양극이 존재하는 전지의 형태도 존재한다.^[49]

재충전 가능한 아연 공기 전지는 수성 전해질로부터 아연 석출을 면밀히 제어해야 한다. 문제점으로는 수지상 결정 형성,^[11] 불균일한 아연 용해, 전해질의 제한된 용해도가 있다. 방전 반응 생성물에서 산소를 방출하기 위해 양극 공기 전극에서 반응을 전기적으로 반전시키는 것은 어렵다. 지금까지 테스트된 막은 전반적인 효율이 낮다. 충전 전압은 방전 전압보다 훨씬 높아서, 50% 정도로 낮은 에너지 효율을 보인다. 별도의 단일 기능 음극으로 충전 및 방전 기능을 제공하면 셀의 크기, 무게 및 복잡성이 증가한다.^[6]

6. 3. 기계적 충전 가능 전지 (Mechanically rechargeable battery)

기계적 충전 아연공기전지는 기본적으로 일차전지와 동일하며, 전지의 연속적 사용을 위해 전지를 신속하게 교체하거나 연료에 해당하는 아연을 음극에 지속적으로 제공하는 방식으로 충전한다.^[49] 방전된 음극을 제거하고 새 음극으로 교체하면 다시 사용할 수 있으며, 전지 구조가 단순하여 교체가 쉽다.^[49] 일반적인 전극 구조는 아연을 슬러리 형태로 이용하며, 이는 알칼라인 전지에서도 볼 수 있는 보편적인 형태이다. 기계적 충전 전지는 전해질을 주입하지 않고 보관하여 보존 기간을 늘릴 수 있다.^[49] 슬러리 형태의 아연을 지속적으로 공급하는 연료 전지 형태도 가능하다.^[49]

기계적 충전 시스템은 1960년대 군용 전자 기기에서 고출력, 간편 충전 방식으로 연구되었으며, 전기 자동차용으로 다시 연구되고 있다. 대규모 아연공기전지의 고빈도 교체 충전을 위해 서비스 스테이션에서 사용된 전해질과 새 아연을 보급하는 연구가 진행 중이다.

공기 아연 연료 전지의 과제는 아연 보급과 산화물 처리이다. 페이스트나 정제 형태 아연을 밀어내 전극에 공급하는 방식으로 해결했으며, 사용된 아연 산화물은 펌프로 배출 탱크에 저장한다. 탄화수소를 개질 연료로 사용하는 연료 전지 양극에서 보조 반응제로 아연을 사용하는 전기 화학 시스템도 연구되고 있다.

7. 응용 분야

금속 아연은 아연-공기 전지^[23] 또는 사용 지점에서 수소를 생성하는 방식으로 차량의 대체 연료로 사용될 수 있다. 아연의 특성으로 인해 전기 자동차의 에너지원으로 상당한 관심이 모아졌다. 제너럴 아토믹은 20kW 차량 배터리를 시연했고, 제너럴 모터스는 1970년대에 테스트를 수행했으나, 두 프로젝트 모두 상용 제품으로 이어지지는 않았다.^[24]

액체 외에도 펌핑할 수 있을 정도로 작은 펠릿을 형성할 수 있다. 펠릿을 사용하는 연료 전지는 산화 아연을 신선한 금속 아연으로 빠르게 교체할 수 있다.^[25] 사용된 물질은 재활용이 가능하다. 아연-공기 전지는 1차 전지(재충전 불가)이므로 아연을 회수하려면 재활용이 필요하며, 차량에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지가 아연 회수에 필요하다.

차량 추진을 위해 아연-공기 전지를 활용하는 한 가지 장점은 리튬에 비해 광물의 상대적인 풍부함이다. 2020년 기준으로 전 세계 아연 매장량은 약 19억ton으로 추정되는 반면, 전체 리튬 매장량은 8600만ton으로 추정된다.^[26] ^[27]

7. 1. 소형 전자기기

아연 공기 전지는 전지 특성상 상시 사용을 필요로 하는 기기에 적합하다. 버튼형 공기 아연 전지는 보청기의 전원으로 사용되고 있으며, 과거 PHS, 삐삐에 사용된 적이 있었다.

7. 2. 대형 전력 시스템

Eos 에너지 시스템 배터리는 컨테이너의 절반 크기이며 1MWh의 저장 용량을 제공한다. 콘 에디슨, 내셔널 그리드, 에넬 및 GDF SUEZ는 그리드 저장을 위해 이 배터리 테스트를 시작했다. 콘 에디슨과 뉴욕 시립 대학교는 뉴욕주 에너지 연구 개발청 프로그램의 일환으로 Urban Electric Power의 아연 기반 배터리를 테스트하고 있다. Eos는 이러한 Eos 배터리를 사용하여 전기를 저장하는 비용이 160USD/kWh이며 새로운 천연 가스 피크 발전소보다 저렴하게 전기를 제공할 것이라고 예상한다. 다른 배터리 기술은 킬로와트시당 400USD에서 약 1000USD에 이른다.^[40]

7. 3. 미래 응용 분야

금속 아연은 아연-공기 전지^[23] 또는 사용 지점에서 수소를 생성하는 방식으로 차량의 대체 연료로 사용될 수 있다. 아연의 특성으로 인해 전기 자동차의 에너지원으로 상당한 관심이 모아졌다. 제너럴 아토믹은 20kW 차량 배터리를 시연했으며, 제너럴 모터스는 1970년대에 테스트를 수행했으나, 두 프로젝트 모두 상용 제품으로 이어지지는 않았다.^[24]

액체 외에도 펌핑할 수 있을 정도로 작은 펠릿을 형성할 수 있다. 펠릿을 사용하는 연료 전지는 산화 아연을 신선한 금속 아연으로 빠르게 교체할 수 있다.^[25] 사용된 물질은 재활용이 가능하다. 아연-공기 전지는 1차 전지(재충전 불가)이므로 아연을 회수하려면 재활용이 필요하며, 차량에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지가 아연 회수에 필요하다.

차량 추진을 위해 아연-공기 전지를 활용하는 한 가지 장점은 리튬에 비해 광물의 상대적인 풍부함이다. 2020년 기준으로 전 세계 아연 매장량은 약 19억 톤으로 추정되는 반면, 전체 리튬 매장량은 8,600만 톤으로 추정된다.^[26] ^[27]

Eos 에너지 시스템 배터리는 컨테이너의 절반 크기이며 1MWh의 저장 용량을 제공한다. 콘 에디슨, 내셔널 그리드, 에넬 및 GDF SUEZ는 그리드 저장을 위해 이 배터리 테스트를 시작했다. 콘 에디슨과 뉴욕 시립 대학교는 뉴욕주 에너지 연구 개발청 프로그램의 일환으로 Urban Electric Power의 아연 기반 배터리를 테스트하고 있다. Eos는 이러한 Eos 배터리를 사용하여 전기를 저장하는 비용이 160USD이며 새로운 천연 가스 피크 발전소보다 저렴하게 전기를 제공할 것이라고 예상한다. 다른 배터리 기술은 킬로와트시당 400USD에서 약 1000USD에 이른다.

충전식 공기 아연 전지는 수용성 전해질의 밀폐가 어렵고 아연에 기인하는 문제로 인해 개발이 어려웠다. 문제는 불균일한 덴드라이트 생성으로 전해질의 용매가 제한되었다. 충전에 사용할 수 있는 공기극에서 방전 시 생성된 산소를 방출할 수 있도록 하는 것은 어려웠다. 시험된 막은 저효율이었다. 충전에 필요한 전압은 방전 시보다 훨씬 높았고 충전 효율은 50%에 미치지 못했다. 전극의 충·방전 기능을 각각 단일 기능의 것으로 분리한 경우, 크기, 무게는 증가하고 구조는 복잡해진다. 만족스러운 충전 시스템은 잠재적으로 저렴한 재료로 고에너지이다.^[38] 2014년 12월, 히타치조선이 충전식 공기 아연 전지를 개발했다고 보도되었다. 용량은 리튬 이온 배터리의 약 5배이며, 충·방전을 반복해도 성능 저하가 거의 나타나지 않는다고 한다. 2016년 말까지 제품화 예정이었다.^[39]

자동차 연료로 공기 아연 전지 및 사용 장소에서의 수소 제조에 아연 사용이 검토되었다.^[40] 공기 아연 충전지는 높은 전압을 낸다. 아연은 저렴하게 대량으로 공급할 수 있으며 전력 생산에 필요한 무게가 가볍다. 이러한 요소들이 공기 아연 전지를 자동차에 사용하려는 동기가 되었다. Gulf General Atomic은 20kW의 배터리를 자동차에 사용하는 것을 실증했으며 제너럴 모터스(General Motors)는 1970년대에 시험을 실시했지만 판매에 이르지는 못했다.^[41]

고체 아연은 액체처럼 편리하게 이동시킬 수 없다. 또한 정제 형태의 충분히 작은 크기라면 펌프를 사용할 수 있다. 연료 전지는 사용된 아연과 새로운 아연을 신속하게 교체할 수 있어야 한다.^[42]

8. 안전 및 환경

아연의 부식은 폭발성 수소 가스를 생성할 수 있다. 통풍구는 전지 내부의 압력 축적을 방지한다. 제조사는 밀폐된 공간에서의 수소 축적에 주의를 준다. 단락된 전지는 비교적 낮은 전류를 제공한다. 전지당 0.5V 미만의 과방전은 전해액 누출을 초래할 수 있으며, 전지당 0.9V 미만에서는 유용한 용량이 거의 없다.

구형 설계에서는 아연 부식을 방지하기 위해 버튼 전지 무게의 약 1%에 해당하는 수은 아말감을 사용했다. 새로운 유형은 수은을 첨가하지 않는다. 아연 자체는 독성이 비교적 낮다. 수은을 사용하지 않는 설계는 폐기 또는 재활용 시 특별한 취급이 필요하지 않다.^[6]

미국 해역에서는 환경 규정에 따라 항해 보조 장치에서 제거된 1차 전지를 적절하게 폐기해야 한다. 이전에는 폐기된 아연-공기 1차 전지를 부표 주변의 물에 버렸는데, 이로 인해 수은이 환경으로 유출될 수 있었다.^[33]

전지의 (+)극과 (-)극을 셀로판 테이프 등으로 절연한 후, 공기 전지를 판매하는 단추 전지 회수 추진 센터의 회수 협력점 (보청기 판매점, 가전 판매점, 시계점, 카메라점 등)의 단추 전지 회수함에 넣는다. 회수 협력점에 모인 사용된 단추 전지를 단추 전지 회수 추진 센터가 정기적으로 수거하여 적절하게 처리한다.

9. 한국 기업

파르타 외에, 아이셀테크, 넥셀 등의 한국 기업이 아연공기전지 관련 기술을 보유하고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 power one: Hearing Aid Batteries http://www.powerone-[...] 2009-04-28
_[2] 웹사이트 Duracell: Zinc–air Technical Bulletin https://web.archive.[...]
_[3] 웹사이트 zincair_hybrid http://www.greencarc[...] 2012-09-30
_[4] 웹사이트 battery types http://www.thermoana[...] 2012-09-30
_[5] 특허 Air-depolarized primary battery Heise 1933-02
_[6] 서적 Handbook Of Batteries 3rd Edition McGraw-Hill 2002
_[7] 웹사이트 Energizer PP425 https://data.energiz[...]
_[8] 웹사이트 Energizer E91 https://data.energiz[...]
_[9] 웹사이트 Energizer 357/303 https://data.energiz[...]
_[10] 웹사이트 Panasonic NCR18650B https://www.batterys[...]
_[11] 간행물 Technologies for extending zinc–air battery's cyclelife: A review https://www.scienced[...] 2014-09-01
_[12] 웹사이트 Vimeo https://vimeo.com/60[...]
_[13] 웹사이트 Fluidic Energy http://www.fluidicen[...] 2018-04-18
_[14] 웹사이트 Baby Steps for EOS zinc batteries in US https://www.energy-s[...] Energy Storage News 2019-06-11
_[15] 웹사이트 Eos Puts Its Zinc–Air Grid Batteries to the Test With ConEd http://www.greentech[...] Greentech Media 2013-05-02
_[16] 웹사이트 La "vieille" batterie zinc-air va révolutionner le stockage de l'énergie https://www.lecho.be[...] L'Echo 2021-04-13
_[17] 웹사이트 First International Zn/Air Battery Workshop http://www.wbzu.de/u[...] Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien 2016-04-05
_[18] 간행물 A regenerative zinc–air fuel cell https://linkinghub.e[...] 2007-03
_[19] 간행물 Advanced zinc–air batteries based on high-performance hybrid electrocatalysts
_[20] 웹사이트 New High-Efficiency Zinc–Air Batteries Much Cheaper Than Lithium-Ion : Tech http://www.sciencewo[...] Science World Report
_[21] 뉴스 Researchers create first metal-free catalyst for rechargeable zinc–air batteries R&D 2015-04-06
_[22] 간행물 A metal-free bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and oxygen evolution reactions
_[23] 서적 Mechanically refuelable zinc–air electric vehicle cells The Electrochemical Society 1993
_[24] 서적 Environmental oriented electrochemistry Elsevier 1994
_[25] 웹사이트 Science & Technology Review http://www.llnl.gov/[...] Llnl.gov 1995-10-16
_[26] 웹사이트 ZINC https://pubs.usgs.go[...] U.S. Geological Survey 2020-01-02
_[27] 웹사이트 LITHIUM https://pubs.usgs.go[...] U.S. Geological Survey 2021-01-01
_[28] 뉴스 Battery Seen as Way to Cut Heat-Related Power Losses https://www.nytimes.[...] 2013-07-16
_[29] 웹사이트 Technology and Products – Eos Energy Storage http://eosenergystor[...] 2017-04-16
_[30] Youtube Absolute genius automatic lubricator https://www.youtube.[...] 2022-06-24
_[31] Youtube Rubbermaid gas generating aroma unit teardown https://www.youtube.[...] 2022-07-04
_[32] 간행물 High-Energy Batteries Coming to Market http://www.technolog[...] 2009-10-28
_[33] 웹사이트 U.S.C.G. Directive http://www.uscg.mil/[...] 2010-01-18
_[34] 웹사이트 power one: Hearing Aid Batteries http://www.powerone-[...]
_[35] 웹사이트 Duracell: Zinc-air Technical Bulletin http://www.duracell.[...]
_[36] 웹사이트 greencarcongress: zincair_hybrid http://www.greencarc[...]
_[37] 웹사이트 thermoanalytics: battery types http://www.thermoana[...]
_[38] 웹사이트 http://www.revolttec[...]
_[39] 웹사이트 http://www.nikkan.co[...]
_[40] 서적 Mechanically refuelable zinc-air electric vehicle cells The Electrochemical Society 1993
_[41] 서적 Environmental oriented electrochemistry Elsevier 1994
_[42] 웹사이트 Science & Technology Review http://www.llnl.gov/[...]
_[43] 웹사이트 power one: Hearing Aid Batteries http://www.powerone-[...] 2009-04-28
_[44] 웹사이트 Duracell: Zinc–air Technical Bulletin https://web.archive.[...]
_[45] 웹사이트 zincair_hybrid http://www.greencarc[...] 2019-10-03
_[46] 웹사이트 battery types http://www.thermoana[...] 2015-05-20
_[47] 뉴스 https://news.naver.c[...]
_[48] 논문 아연공기 이차전지용 음극 제조 및 전기화학적 특성에 관한 연구 2012
_[49] 논문 Components in Zn Air Secondary Batteries http://dx.doi.org/10[...] 2013
_[50] 논문 Rechargeable Zn-air Energy Storage Cells Providing High Power Density http://www.riss.kr.o[...] 2012

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