새로운 연료 전지로 전기 항공이 가능해질 수도......
New fuel cell could enable electric aviation
David L. Chandler | MIT News.Publication Date:May 27, 2025
These devices could pack three times as much energy per pound as today’s best EV batteries, offering a lightweight option for powering trucks, planes, or ships.
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새로운 연료 전지로 전기 항공이 가능해질 수도......
David L. Chandler | MIT News.Publication Date:May 27, 2025
이러한 장치는 현재 최고의 전기차 배터리보다 파운드당 3배 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 트럭, 비행기 또는 선박에 전력을 공급하는 가벼운 옵션을 제공합니다.
배터리는 주어진 무게에 대해 저장할 수 있는 전력의 한계에 근접하고 있습니다.
이는 에너지 혁신과 항공기, 기차, 선박에 동력을 공급하는 새로운 방법을 모색하는 데 심각한 장애물입니다. 이제 MIT를 비롯한 여러 연구진이 이러한 교통 시스템의 전기화를 도울 수 있는 해결책을 제시했습니다.
배터리 대신, 이 새로운 개념은 일종의 연료 전지입니다. 배터리와 유사하지만 재충전하는 대신 빠르게 재충전할 수 있습니다. 이 경우 연료는 저렴하고 널리 구할 수 있는 액체 나트륨 금속입니다. 전지의 반대편은 산소 원자의 공급원 역할을 하는 일반 공기입니다. 그 사이에는 고체 세라믹 물질 층이 전해질 역할을 하여 나트륨 이온이 자유롭게 통과할 수 있도록 하고, 다공성 공기 전극은 나트륨 이온이 산소와 화학 반응을 일으켜 전기를 생성하도록 돕습니다.
연구진은 시제품 장치를 이용한 일련의 실험을 통해 이 전지가 현재 거의 모든 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리보다 단위 중량당 3배 이상의 에너지를 저장할 수 있음을 입증했습니다. 이 연구 결과는 MIT 박사과정생인 카렌 수가노, 수닐 마이어, 사히르 간티-아그라왈, 재료과학 및 공학과 교수인 옛밍 치앙 외 5명이 공동 집필한 논문으로 오늘 저널 '줄 (Joule)' 에 게재되었습니다.
"사람들이 이걸 완전히 미친 아이디어라고 생각할 거라고 예상합니다."라고 교세라 세라믹 교수인 치앙은 말한다. "그렇지 않다면 좀 실망할 겁니다. 사람들이 처음에 뭔가 완전히 미친 아이디어라고 생각하지 않는다면, 아마 그렇게 혁신적인 아이디어는 아닐 테니까요."
그리고 그는 이 기술이 상당히 혁명적인 잠재력을 가지고 있는 것으로 보인다고 주장합니다. 특히 무게가 매우 중요한 항공 분야에서, 이러한 에너지 밀도 향상은 전기 동력 비행을 대규모로 실용화하는 획기적인 진전이 될 수 있습니다.
치앙은 "현실적인 전기 항공에 실제로 필요한 기준은 킬로그램당 약 1,000와트시입니다."라고 말합니다. 현재 전기차용 리튬 이온 배터리의 최대 출력은 킬로그램당 약 300와트시로, 필요한 수준에는 턱없이 못 미칩니다. 그는 킬로그램당 1,000와트시라 하더라도 대륙 횡단이나 대서양 횡단 비행을 가능하게 하기에는 충분하지 않다고 말합니다.
이는 알려진 배터리 화학으로는 아직 달성할 수 없는 수준이지만, 치앙은 킬로그램당 1,000와트를 달성하는 것이 국내선 항공편의 약 80%, 항공 배출량의 30%를 차지하는 지역 전기 항공에 필수적인 기술이 될 것이라고 말합니다.
이 기술은 해상 운송과 철도 운송을 포함한 다른 분야에도 도움이 될 수 있습니다. "이 분야들은 모두 매우 높은 에너지 밀도와 낮은 비용을 요구합니다."라고 그는 말합니다. "바로 그것이 우리가 나트륨 금속에 관심을 갖게 된 이유입니다."
지난 30년 동안 리튬-공기 또는 나트륨-공기 전지 개발에 많은 연구가 진행되었지만, 완전히 재충전 가능하게 만드는 데는 어려움이 있었습니다. 치앙은 "사람들은 금속-공기 전지로 얻을 수 있는 에너지 밀도에 대해 오랫동안 알고 있었고, 매우 매력적이었지만, 실제로 구현된 적은없었습니다."라고 말합니다.
동일한 기본 전기화학 개념을 사용하되 배터리 대신 연료 전지를 만듦으로써, 연구진은 높은 에너지 밀도의 이점을 실용적인 형태로 구현할 수 있었습니다. 재료를 한 번 조립하여 용기에 밀봉하는 배터리와 달리, 연료 전지는 에너지를 전달하는 재료가 자유롭게 드나들 수 있습니다
연구팀은 실험실 규모의 시스템 프로토타입을 두 가지 버전으로 제작했습니다.
하나는 H 셀로, 두 개의 수직 유리관이 가운데를 가로지르는 튜브로 연결되어 있으며, 이 튜브에는 고체 세라믹 전해질과 다공성 공기 전극이 들어 있습니다. 한쪽 튜브에는 액체 나트륨 금속이 채워져 있고, 다른 쪽 튜브에는 공기가 흐르면서 중앙에서 전기화학 반응을 위한 산소를 공급합니다.
이 반응은 결국 나트륨 연료를 점차적으로 소모하게 됩니다. 다른 프로토타입은 수평형으로 설계되었으며, 전해질 트레이에 액체 나트륨 연료가 담겨 있습니다. 반응을 촉진하는 다공성 공기 전극은 트레이 바닥에 부착되어 있습니다.
치앙은 습도 수준을 엄격히 제어한 공기 흐름을 사용한 테스트에서 개별 "스택" 수준에서 킬로그램당 1,500와트시 이상의 수준이 생성되었으며, 이는 전체 시스템 수준에서 1,000와트시 이상으로 변환된다고 말했습니다.
연구진은 이 시스템을 항공기에 적용하기 위해, 마치 식당의 음식 트레이 선반처럼 셀을 쌓아 놓은 연료 팩을 연료 전지에 삽입할 계획입니다. 이 팩 내부의 나트륨 금속은 전력을 공급하면서 화학적으로 변형됩니다. 이때 발생하는 화학적 부산물이 방출되는데, 항공기의 경우 제트 엔진의 배기가스처럼 후면으로 배출됩니다.
하지만 아주 큰 차이가 있습니다. 이산화탄소 배출이 전혀 없다는 것입니다. 대신 산화나트륨으로 구성된 배출물이 대기 중 이산화탄소를 흡수합니다. 이 화합물은 공기 중 수분과 빠르게 결합하여 수산화나트륨(배수구 세척제로 흔히 사용되는 물질)을 만들고, 이 수산화나트륨은 이산화탄소와 쉽게 결합하여 고체 물질인 탄산나트륨을 형성하고, 다시 중탄산나트륨, 즉 베이킹소다를 형성합니다.
"나트륨 금속을 사용하면 이런 자연스러운 연쇄 반응이 일어납니다."라고 치앙은 말합니다. "모두 자발적으로 일어납니다. 우리가 뭔가를 할 필요도 없고, 비행기를 조종하기만 하면 됩니다."
추가적인 이점으로, 최종 제품인 중탄산나트륨이 바다로 흘러들어가면 물의 산성화를 막아 온실 가스의 또 다른 해로운 영향을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있습니다.
수산화나트륨을 사용하여 이산화탄소를 포집하는 것은 탄소 배출을 줄이는 방법으로 제안되었지만, 그 자체로는 화합물의 가격이 너무 비싸 경제적인 해결책이 되지 못합니다. 치앙은 "하지만 여기서는 부산물일 뿐"이라고 설명하며, 사실상 무료이며, 아무런 비용 없이 환경적 이점을 제공합니다.
중요한 것은 새로운 연료 전지가 다른 많은 배터리보다 본질적으로 안전하다는 점이라고 그는 말합니다. 나트륨 금속은 반응성이 매우 높기 때문에 철저한 보호가 필요합니다. 리튬 배터리와 마찬가지로 나트륨은 습기에 노출되면 자연 발화할 수 있습니다. 치앙은 "에너지 밀도가 매우 높은 배터리를 사용할 때는 항상 안전이 중요합니다. 두 반응물을 분리하는 막이 파열되면 폭주 반응이 발생할 수 있기 때문입니다."라고 말합니다.
하지만 이 연료 전지에서는 한쪽 면이 공기로만 이루어져 있습니다. "이 공기는 희석되고 제한적입니다. 따라서 두 개의 농축된 반응물이 바로 옆에 있는 것이 아닙니다. 정말 높은 에너지 밀도를 원한다면 안전상의 이유로 배터리보다 연료 전지를 사용하는 것이 좋습니다."
이 장치는 아직 작은 단일 세포 시제품으로만 존재하지만, 치앙은 이 시스템이 상용화를 위해 실용적인 크기로 확장하는 것이 매우 간단할 것이라고 말합니다. 연구팀은 이미 이 기술 개발을 위해 프로펠 에어로(Propel Aero)라는 회사를 설립했습니다. 이 회사는 현재 MIT의 스타트업 인큐베이터인 엔진(The Engine) 에 소속되어 있습니다 .
이 기술을 전 세계적으로 광범위하고 전면적으로 도입할 수 있을 만큼 충분한 나트륨 금속을 생산하는 것은 실용적일 것입니다. 왜냐하면 이 물질은 이전에도 대량 생산된 적이 있기 때문입니다. 유연 가솔린이 일반적이었던 시절, 단계적으로 폐지되기 전에는 나트륨 금속이 첨가제로 사용되는 테트라에틸납을 만드는 데 사용되었으며, 미국에서 연간 20만 톤의 용량으로 생산되었습니다. 치앙은 "이것은 나트륨 금속이 한때 대량으로 생산되어 미국 전역에서 안전하게 취급되고 유통되었다는 사실을 상기시켜 줍니다."라고 말합니다.
게다가 나트륨은 주로 염화나트륨, 즉 소금에서 유래하므로 풍부하고 전 세계에 널리 분포되어 있으며, 오늘날의 전기 자동차 배터리에 사용되는 리튬이나 다른 재료와 달리 쉽게 추출할 수 있습니다.
그들이 구상하는 시스템은 액체 나트륨 금속으로 채워 밀봉된 재충전형 카트리지를 사용하는 것입니다. 카트리지가 방전되면 재충전소로 반납하여 새로운 나트륨을 충전합니다. 나트륨은 물의 끓는점 바로 아래인 섭씨 98도에서 녹기 때문에, 녹는점까지 가열하여 카트리지에 재충전하기 쉽습니다.
초기 계획은 약 1,000와트시의 에너지를 공급할 수 있는 벽돌 크기의 연료 전지를 제작하는 것입니다. 이는 대형 드론에 전력을 공급하기에 충분한 양입니다. 이를 통해 농업 등에 활용 가능한 실용적인 형태로 개념을 입증할 계획입니다. 연구팀은 내년 안에 이러한 시연을 완료할 수 있기를 기대하고 있습니다.
박사 학위 논문의 일환으로 실험 작업의 상당 부분을 수행했고, 이제 스타트업에서 일하게 될 스가노는 공정에서 수분의 중요성이 핵심적인 통찰력이었다고 말합니다. 그녀는 순수 산소와 공기로 장치를 테스트하면서 공기 중 습도가 전기화학 반응의 효율을 높이는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 습한 공기는 나트륨이 고체가 아닌 액체 형태의 방전 생성물을 생성하게 했고, 이는 시스템을 통과하는 공기 흐름을 통해 이러한 생성물을 훨씬 더 쉽게 제거할 수 있게 했습니다. 그녀는 "핵심은 건조한 조건에서 형성되는 고체 방전과 달리, 이 액체 방전 생성물을 형성하고 쉽게 제거할 수 있다는 것입니다."라고 말합니다.
간티-아그라왈은 팀이 다양한 공학 하위 분야에서 영감을 얻었다고 언급합니다. 예를 들어, 고온 나트륨에 대한 연구는 많았지만, 습도를 조절하는 시스템에 대한 연구는 없었습니다. 그는 "전극 설계 측면에서 연료 전지 연구, 기존 고온 배터리 연구, 그리고 초기 나트륨-공기 배터리 연구 결과를 종합하고 있습니다."라고 말하며, 이러한 연구들을 통해 팀의 "성능이 크게 향상"되었다고 덧붙였습니다.
연구팀에는 애리조나주 스코츠데일의 데저트 마운틴 고등학교에 재학 중인 MIT 여름 인턴 알덴 프라이젠, 매사추세츠주 소머빌에 있는 폼 에너지(Form Energy)의 카일라시 라만(Kailash Raman)과 윌리엄 우드포드(William Woodford), 캘리포니아주 앤드 배터리 에어로(And Battery Aero)의 샤샹크 스리파드(Shashank Sripad), 그리고 미시간 대학교의 벤카타수브라마니안 비스와나탄(Venkatasubramanian Viswanathan)도 포함되었습니다. 이 연구는 ARPA-E, 브레이크스루 에너지 벤처스(Breakthrough Energy Ventures), 그리고 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았으며, MIT 나노(MIT.nano)의 시설을 활용했습니다.
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