‘축전지의 끝판’으로 불리는 ‘공기전지’의 실용화가 급진전되는 양상이다. 최근 들어 일본에서 공기전지의 최대 과제인 수명을 대폭적으로 향상시키는 기술이 잇따라 개발되고 있기 때문이다.

니혼게이자이신문 보도에 따르면 후지쯔 계열의 전자부품 업체인 FDK를 비롯해 NTT, 물질·재료연구기구 등 일본의 주요 업체와 연구기관은 최근 공기전지의 실용화 가능성을 높여주는 수명 연장 기술의 개발에 잇따라 성공했다.

이에 따라 모든 물건을 네트워크화 하는 사물인터넷(IoT) 시대의 전원으로 주목돼 온 공기전지의 실용화 시기가 크게 앞당겨져 2020년대가 될 가능성이 높아졌다.

현재 주력 2차전지인 리툼이온전지는 상용화 이후 모바일 기기 보급에 기여하며 정보기술(IT) 혁명을 뒷받침해 왔다. 그 성능도 꾸준히 향상돼 지금은 자동차의 핵심 부품으로 활용돼, 그 보급 확산에도 기여하고 있다. 그러나 이제 기술적인 한계에 이르렀고, 발열과 그에 따른 폭발의 위험성이 있다.

공기전지는 이런 리튬이온전지를 이을 차세대 축전지의 유력 후보로 주목된다. 전기를 생산하는 기본 원리는 공기 중의 산소를 끌어들여 화학반응을 통해 이루어진다. 산소가 무한정으로 공급되기 때문에 이론상으로는 전기를 축적할 수 있는 양이 리튬이온전지의 5~10배에 달한다.

또한 플러스(양)와 마이너스(음) 중 양극의 전극이 금속에서 산소로 대체하기 때문에 무게가 훨씬 가벼워지고, 재료비용도 절감할 수 있다.

그러나 지금까지는 작동 후 성능이 바로 떨어지는 문제, 즉 수명이 짧은 기술적 결함으로 실용화 하는데 한계가 있었다. 그러다 최근 수명을 늘리는 기술이 잇따라 나오면서 실용화에 청신호가 들어온 것이다.

FDK가 개발한 공기전지는 수소를 산소와 화학 반응시켜 전기를 만든다. 하이브리드 자동차 등에 사용되는 니켈수소전지의 구조를 활용해 니켈이 사용되는 양극을 산소로 대체했다. 귀금속인 루테늄(희토류)을 주성분으로 하는 미립자를 붙여 화학반응이 쉽게 진행되도록 했다. 충전과 500회 반복해도 성능저하는 10% 이하로 나타났다. 재생에너지의 전력저장용이라면 10 년 정도 사용이 가능하다.

개발한 전지는 산소로부터 이산화탄소나 불순물을 제거하는 장치가 필요하다. 이러한 부속품을 포함해도 비용은 리튬이온전지보다 싸다. 향후 개발을 더 추진해 성능을 현재의 2~3배 수준으로 향상시켜 실용화 할 계획이다.

NTT가 시험제작한 공기전지는 음극에 리튬을 사용하는 리튬 방식으로 충전과 방전을 100회 반복해도 성능이 떨어지지 않는다는 것이 확인됐다. 망간을 주성분으로 하는 화합물을 혼합 한 점이 핵심으로, 충전과 방전에 필요한 화학반응을 진행시키는 기능을 한다. 종래는 충전과 방전을 몇 번만 하면 성능이 떨어졌다.

리튬 방식 공기전지는 충전과 방전을 반복하면 불필요한 물질이 생성되어 성능이 저하한다. 이번 성과를 기점으로 최적의 재료를 찾는 일이 진전되고, 그 결과로 수명 연장 연구는 더욱 진전될 것으로 기대된다.

물질·재료연구기구는 소프트뱅크와 공동으로 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 나노 탄소 재료 등을 사용해 용량을 리튬이온전지의 15배로 높이고 100회 이상의 충전과 방전으로도 성능이 떨어지지 않는 리튬 방식 공기전지의 개발에 성공했다. 성능을 좀 더 높이고 비용을 낮춰 오는 2025년 실용화할 계획이다.

차세대 전지의 주력 자리를 놓고는 공기전지와 안전성과 짧은 충전과 방전 시간이 장점인 전(全)고체전지가 경쟁하고 있다. 공기전지는 고속 충전과 수명에서는 열세지만 무게(경량)와 성능 향상의 가능성에서는 우위에 있다. 이런 이유로 도요타자동자는 전고체전지를 탑재한 전기자동차의 실용화를 서두르는 한편으로 공기전지의 연구개발도 병행하고 있다.