알루미늄-공기 배터리 기술: 폐알루미늄으로 전기차에 전력 공급

전기차 제한을 해결하기 위한 횡단적 사고

EV는 자동차 시장을 강타했으며, 중국과 노르웨이와 같은 국가들은 이미 높은 시장 침투율을 자랑하고 있습니다. 동시에 몇 가지 주요 제한:

• 저가 전기차 모델의 주행 거리 부족.
• 충전 속도가 느려, 주행 거리가 짧아 정기 충전이 필요하게 되면 장거리 여행이 어려워집니다.
• 수백만 대의 새로운 전기차가 추가될 때 전력망이 이를 감당할 수 있을지에 대한 우려.

첫 번째와 두 번째 문제인 주행 거리와 충전 속도는 업계가 새로운 배터리 화학 물질과 더 빠르고 밀집된 충전소 네트워크를 통해 해결하려 하고 있습니다. 하지만 이는 여전히 해결하기 어려운 과제입니다. 우리는 새로운 배터리에 대한 모든 잠재적 경로를 우리 기사 “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“에서 자세히 다루었습니다.

전력망 문제는 재생 에너지 생산의 간헐성으로 더욱 악화됩니다. 사람들이 퇴근 후 집에 돌아와 전기차를 충전하려는 저녁 시간에 전기차 충전이 급증하면, 이미 태양광 발전이 불가능한 상황에서 환영받지 못합니다.

하지만 새로운 개념이 이 모든 문제를 한 번에 해결할 수 있습니다. 내연기관(ICE)과 액체 화석 연료 또는 전기차와 배터리 중 하나를 선택하는 대신, 완전히 재활용 가능한 연료로 전기차를 ‘재급유’할 수 있다면 어떨까요?

알루미늄의 에너지 잠재력

알루미늄은 지구에서 매우 흔한 원소입니다. 실제로 철보다 더 흔한 금속으로, 지각의 8%를 차지합니다. 원광인 보크사이트에서 알루미나를 거쳐 알루미늄 금속으로 생산되는 과정에 많은 전기가 필요합니다. 이 때문에 알루미늄은 때때로 ‘냉동 전기’라고도 불립니다.

평범하고 차분해 보이는 외관과 달리, 알루미늄은 적절한 조건에서 매우 반응성이 높은 금속이며 불꽃놀이에 사용되기도 했습니다; 알루미늄 분말은 우주왕복선의 고체 로켓 부스터에도 사용되었습니다. 실제로 알루미늄은 디젤이나 휘발유보다 2.5배 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 바로 알루미늄-공기 배터리가 등장합니다.

알루미늄-공기 배터리는 알루미늄의 산화·환원을 통해 전기를 저장하고 생산합니다. 알루미늄 금속이 공기와 반응하게 하여 현재 사용 가능한 모든 배터리 기술 중 가장 높은 에너지 밀도 중 하나를 제공합니다. 리튬이온 배터리보다 8배 가볍고 4배 작습니다.

알루미늄-공기 배터리는 알루미늄-이온 배터리와 혼동해서는 안 됩니다. 알루미늄-이온 배터리는 리튬이온과 유사하지만 다른 금속을 사용합니다.

출처: Energy Post

알루미늄-공기 배터리 장점

양극이 주변 공기의 산소만을 사용하기 때문에 금속 양극이 필요 없으며, 배터리를 경쟁 제품보다 훨씬 가볍게 만들 수 있습니다.

또 다른 장점은 알루미늄을 연료로 소비하는 일종의 ‘전기 엔진’이며, 배터리 시스템처럼 방전 시 전압이 감소하지 않는다는 점입니다.

제한점은 알루미늄을 소비하고 배터리를 단순히 플러그에 연결해 충전할 수 없다는 것입니다. 따라서 리튬이온 배터리보다 일반 AA 배터리와 원리가 더 유사합니다. 배터리 교체 시스템이 필요하며, 교체 시간은 약 90초로 액체 연료 충전이나 10~15분 전기 충전보다 빠릅니다.

대안으로 알루미늄-공기 배터리와 재충전 가능한 배터리를 혼합해 사용할 수 있습니다. 필요에 따라 직접 충전하거나 알루미늄 구동을 선택할 수 있어 하이브리드 차량과 유사하지만 화석 연료는 전혀 사용하지 않습니다.

인프라 장점

알루미늄-공기 배터리의 강점 중 하나는 이미 잘 확립되고 효율적이며 규모화된 알루미늄 재활용 산업이 존재한다는 점입니다—이는 리튬이온 배터리에서는 아직 크게 부족한 부분입니다.

이는 기본 재료를 조달할 때, 알루미늄-공기 배터리 산업이 오래된 건물, 기계, 항공기 등에서 회수한 폐알루미늄을 활용해 동시에 전력을 생산할 수 있음을 의미합니다. 전반적으로 이 시스템은 리튬, 니켈, 코발트, 희토류와 같은 중요한, 오염을 일으키는, 비싼 자원을 필요로 하지 않습니다.

위에서 언급했듯이 배터리 교체는 전기차가 충전/연료 충전소에 도착했을 때 즉시 충전해야 하는 전력망에 대한 압력을 없애줍니다. 대신 알루미늄 재생과 배터리 재충전은 잉여 재생 에너지를 이용해 수행할 수 있습니다.

마지막으로, 알루미늄 금속은 필요할 때 친환경 전력으로 재생될 수 있을 뿐만 아니라, 비용이 거의 들지 않는 안정적이고 무독성 고체 금속으로 산화가 거의 일어나지 않아 쉽게 보관할 수 있습니다. 따라서 알루미늄 비축을 통해 장기간 에너지를 저장할 수 있으며, 배터리, 암모니아, 수소보다 훨씬 낮은 저장 비용을 가집니다.

알루미늄 대량 운송은 수소와 달리 특수 인프라가 필요 없으며 일반 트럭이나 기차로도 운송이 가능합니다.

알루미늄 비용- 출처: RiAlAiR

알루미늄-공기 배터리 단점

알루미늄-공기 배터리의 제한점은 밀집된 배터리 교체 스테이션 네트워크가 필요하다는 것입니다. 전기차의 표준화 부족과 충분히 밀집된 네트워크 구축 비용 때문에 배터리 교체는 종종 실패한 아이디어였습니다. 전통적인 배터리 개념에서도 성공 가능성은 낮으며, 전기차 산업이 차량 프레임에 통합된 ‘구조 배터리’로 이동하고 있기 때문입니다.

아래의 몇몇 기업들은 알루미늄-공기 배터리의 배터리 교체를 손으로 할 수 있도록 연구하고 있으며, 이는 기술적 복잡성을 크게 줄이고 고가의 배터리 교체 스테이션 대신 프로판 통과 같은 간단한 자동화 장비만으로도 작업이 가능하도록 합니다. 어쨌든 사용된 배터리를 수집하고 재구성·재충전하는 인프라가 구축되어야 합니다.

전반적으로 이 개념은 새롭지 않으며 1960년대에 처음 구상되었습니다. 당시 전해질의 독성 때문에 기술 발전이 막혔습니다. 또한 공기 양극과 관련된 여러 기술적 문제가 크게 작용합니다:

“산소 환원 반응의 느린 효율성이 적용에 대한 장벽입니다. 기타 문제로는 알칼리성 전해질과 CO2의 반응으로 탄산염 침전물이 생성되고, 물이 공기 중으로 증발해 전해질이 건조해지며, 전해질이 공기 양극의 기공으로 침투하는 것이 있습니다.” – 출처: Automotive Logistics

알루미늄-공기 배터리 기업

1. Aluma Power

Aluma Power는 캐나다 기업으로 Aamjiwnaang First Nation 영토에 위치하고 있습니다.

Aluma Power는 전체 사이클 효율을 43%로, 알루미늄을 자동차, 건물, 항공기, 온실, 보트 등의 프레임 제작 등 다른 용도로 먼저 사용한 뒤 연료로 재활용할 경우 700% 효율을 구상하고 있습니다.

출처: Aluma

Aluma Power의 독특한 접근 방식은 양극을 회전시켜 알루미늄-공기 배터리의 양극 부식 및 마모와 같은 제한점을 완화하는 기계적 방법에 중점을 두는 것입니다. 이 설계는 녹은 엔진 블록이나 탄산음료 캔 등 모든 폐알루미늄을 사용할 수 있습니다. 이는 미국 특허 US10978758B2에 문서화되어 있습니다.

연료 디스크는 몇 분 안에 교체할 수 있으며 최대 130시간까지 사용할 수 있습니다.

출처: Aluma

회사는 이 디스크 시스템이 기존 업체 대비 70% 적은 자본 비용과 ‘스토리지 서비스’ 형태의 인건비 절감을 가능하게 한다고 주장합니다.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

프랑스의 Métalectrique와 영국 자회사 MAL은 알루미늄-공기 배터리를 개발하고 있습니다. 회사의 핵심 지적 재산은 양극 부식 및 기공 막힘 문제를 감소시킨다고 주장되는 독점 전해질 화학입니다.

회사의 웹사이트는 다소 간소화되어 있으며, 주로 뉴스 기사 링크와 2024년 제품 출시 예정 발표가 포함되어 있습니다. 이는 2021년 4분기에 출시 예정이라는 이전 발표와 비교해 약간 우려를 낳을 수 있습니다.

회사는 다음과 같은 3가지 제품 콘셉트에 집중하고 있는 것으로 보입니다:

• 전기차용 300마일 주행 거리 연장기, 두 대형 자동차 회사와 논의 중.
• 1,500마일 주행 거리 전기차 배터리. MAL은 영국에서 이 배터리를 대량 생산하기 위해 Austin Electric과 수백만 파운드 규모 계약을 체결했습니다.
• £3,500 전환 키트를 사용해 일반 연료 차량을 하이브리드로 전환.

MAL은 자사 배터리 제조 비용이 kWh당 $36에 불과하다고 주장하는데, 이는 리튬이온 배터리의 약 $180/kWh와 비교됩니다. 배터리 감가상각을 포함하면 주행 비용이 마일당 £0.08이 되며, 리튬이온은 마일당 £0.50입니다.

이 기술은 항공기, 방위 배터리 및 섬의 원격 전력에도 적용될 수 있습니다.

3. RiAlAiR

이 회사는 보트 및 어업 산업을 위한 알루미늄-공기 배터리 생산에 집중하고 있습니다. 배터리 구독 서비스를 제공하여 초기 비용을 낮추고 오염 및 높은 연료 비용 감소에 기여합니다.

어업 보트와 택시 보트와 같은 전문 보트 사용자를 대상으로 하면, 저렴한 연료라는 경제적 논리가 강하게 작용하며, 비즈니스 모델은 친환경 에너지 논리에 의존하지 않고도 수익성 향상만으로 충분합니다.

화석 연료에서 전기 보트로 전환하면 보트 자체에 태양광 패널이나 풍력 터빈을 설치해 에너지 공급을 보조할 수 있어 연료 효율과 자율성이 더욱 향상됩니다.

출처: RiAlAiR

마지막으로, 전기 추진 시스템은 보트 추진 효율이 92%로, 연료 보트의 35%에 비해 훨씬 효율적입니다(차이는 내연기관의 열 및 기계적 손실 때문입니다).

현재 전 세계 수백만 대의 어업 보트가 연간 500억 리터의 연료를 소비하고 있으며, 이는 전 세계 연료 소비의 1.2%에 해당합니다. 대부분은 톤수 20톤 이하, 길이 12미터 미만이며 주로 아시아에 위치합니다. 또한 1,500만 대의 레크리에이션 보트가 친환경 전기 추진으로 전환될 잠재력을 가지고 있습니다.

출처: RiAlAiR

전기 추진은 보트 추진에서 시작조차 어려웠지만, 제한점은 항상 배터리의 에너지 밀도였습니다. 현대 알루미늄-공기 설계가 이를 해결할 수 있어, 이 배터리용 틈새이지만 수익성 있는 시장을 창출할 가능성이 있습니다.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy는 우리가 찾은 알루미늄-공기 기술에 관여하는 유일한 상장 기업이며, 이스라엘 회사는 알루미늄 및 아연 기반 배터리를 개발하고 있습니다. 전력 백업, 모빌리티/전기차, 에너지 저장 시장을 목표로 하고 있으며, 컨테이너형 배터리를 이용한 해양 에너지 가능성도 탐색하고 있습니다.

이 회사는 최근 인도 통신사 Indus Power에 300개의 전력 백업 시스템을 제공하기 위한 계약을 체결했으며, 또 다른 통신사인 Cellnex와 성공적인 테스트를 진행했습니다. 또한 선도적인 클라우드 데이터 센터 기업과 시스템을 테스트하고 있습니다.

또한 2023년 1월에 전기 Tata 승용차 프로토타입을 선보였습니다. 인도는 회사의 수출 전략 중심에 있으며, 인도 최대 알루미늄 제조업체 중 하나인 Hindalco Industries Limited와 생태계 구축을 위한 협약을 체결했습니다 (HINDALCO.BO ).

5. Log9

이 인도 기업은 최초의 토종 리튬이온 배터리 셀 제조업체이며 자체 배터리 관리 시스템도 생산합니다. 이 회사는 배터리, 그래핀 초축전지, 알루미늄 연료 전지(AFC)를 제조합니다.

이 회사는 2020년에 알루미늄-공기 배터리 작업을 하는 45명 팀이 있다고 보고되었습니다. 또한 2021년에 한 번 충전으로 3,000km를 주행할 수 있는 라스트마일 배송 차량 프로토타입을 논의했습니다.

최근에는 회사가 주로 고속 충전 리튬이온 배터리에 집중하고 있는 것으로 보이며, 알루미늄-공기 배터리 목표가 달성되고 있는지는 명확하지 않지만, 해당 기술은 여전히 웹사이트 메인 페이지에 크게 소개되고 있습니다.

결론

알루미늄-공기 배터리, 혹은 알루미늄 연료 전지가 더 적절한 용어일 수도 있지만, 이는 전통적인 전기차 및 배터리 기술 접근 방식에 대한 매우 흥미로운 대안입니다. 금속 고체 연료를 제공함으로써 전기차 채택에 대한 대부분의 장애물을 우회하고, 재생 에너지의 간헐성을 ‘재활용된 고체 알루미늄’에 저장함으로써 문제를 해결할 수 있습니다.

현재 이 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 주요 대기업이나 배터리 회사들이 이를 다루고 있는 흔적이 없습니다. 이는 부분적으로 이 개념이 전기차 산업의 기존 인식과 크게 다르며, 완전히 다른 기술력과 제조 공정을 필요로 하기 때문입니다.

또한 이 기술은 녹색 정책 및 보조금에서 빠지는 경향이 있어, 수소 연료전지 기술이나 재충전 가능한 배터리/전기차 정책의 요구 사항을 모두 충족하지 못합니다. 인도에서 가장 환영받는 것으로 보이며, 인도는 배터리 기술 및 친환경 에너지 분야에서 중국을 따라잡기를 열망하고 있습니다.