<사진. 이번에 개발한 전지의 외관
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

물로 발전: 비상시 휴대폰 충전 30회

고가전지와 토판인쇄는 물을 주입하는 것만으로 전기를 만들어 내는 전지를 개발하였다. 사전에 충전해 놓지 않더라도 물을 2L 준비하는 것만으로 이용할 수 있기 때문에 비상용으로 적합하다. 이 전지는 축전지가 아니고 한 번 쓰고 버리는 1차전지이다. 이 전지를 사용하기 위해서는 물 및 해수를 넣은 PET병을 1개 준비한다. 동봉된 주입용 부품(노즐)을 PET병의 뚜껑 위치에 끼운다. 전지의 윗덮개를 열면 주입구가 4개 존재하며 순차적으로 물을 넣는다. 주입량은 합계 2L이다. 주입 후 약 3분에 충분한 전력에 이른다.

전지 셀에서는 케이블이 나와 있으며, 이것을 USB박스(약12cm×약6cm×약2.5cm)에 접속하고, 윗덮개를 닫는다. 이후 전지를 열 필요는 없다. USB박스에는 USB단자가 2개 설치되어 있으며, 스마트폰을 최대 30회 충전할 수 있는 전기를 만들어 낸다. 전지의 용량은 300Wh, 5V 출력으로 1.2A의 전류를 만들어 낼 수 있다. 거의 모든 스마트폰 및 태블릿 단말기에 대응한다. USB박스에는 충전을 온/오프하기 위한 리셋 스위치가 갖추어져 있으며, 최대 5일간 단속적으로 전력을 발생시킬 수 있다. 물을 주입한 후 한 번에 전지를 다 사용하지 않아도 된다.

이상과 같은 구조로 한 이유는 재해 시에 필요한 전원을 확보한다는 목적이 있기 때문이다. 고가전지는 후쿠시마현 이와키시에 사업소를 설치하였으며, 동일본 대지진에 의한 정전 시에 개인의 통신기기를 사용할 수 없게 되는 상황을 경험하였다. 그래서 사전에 충전해 놓지 않더라도 필요할 때 바로 이용할 수 있으며, 장기간 보존할 수 있는 전지를 목표로 하였다.

이 전지는 발전에 물을 사용한다. 동시에 공기 중의 산소도 불가결하다. 즉 밀봉할 수 없다. 그래서 토판인쇄가 전지의 종이용기를 개발, 제조하였다. 이 회사는 액체를 넣을 수 있는 종이용기를 대량으로 제조하고 있다. 이번에는 전지 포장 내면에 폴리에틸렌 필름을 붙였다. 이 전지 내부에는 4개의 전지 셀과 전지 셀에 공기를 공급하는 상자, 완충재가 들어 있으며, 셀 외장재와 공기상자는 종이로 만들어져 있다. 토판인쇄의 기술에 의해 수밀구조를 유지한 채 상자를 대형화(233×226×226mm)가 가능하며, 종이이지만 강도도 확보하였다.

상자(물을 주입하기 전에는 약 1.6kg)를 6단으로 쌓아 보존하더라도 튼튼한 강도를 보증하고 있다. USB박스 및 케이블을 제외하면 종이 및 마그네슘만으로 이루어져 있기 때문에 재해 등에 사용한 후에 타는 물질로서 취급해도 유해한 물질은 발생하지 않는다. 이 전지와 동일한 반응을 소규모로 천천히 일으키는 것은 어렵지 않다. 어린이용 장난감의 전력원으로서 이용하고 있을 정도이다.

금속판(정극)의 표면에 활성탄 등을 깔고 공기가 잘 통하는 구조로 하고, 식염수를 묻힌 섬유를 사이에 두고 금속 마그네슘판을 설치하였다. 마지막에 금속판과 금속 마그네슘판을 접속하면 전류가 흐른다. 마그네슘으로부터 전자가 나오고, 정극으로 향하는 형태이다. 이 전지에서는 전지 셀에 들어 있는 금속 마그네슘(Mg)이 전해액(주입한 물)에 녹아 마그네슘이온(Mg2+)이 된다. 이 때 2개의 전자(e-)를 부극에 방출하여 USB단자를 통해 외부기기에 향한다. 돌아온 전자는 정극에서 산소, 물과 반응하여 수산화물이온(OH-)이 된다. 금속 마그네슘은 점점 줄어들며, 전해액에는 수산화마그네슘이 남는다. 모든 금속 마그네슘이 반응하면 전지의 수명이 끝난다. 마그네슘은 1원자에서 2개의 전자를 방출할 수 있으며, 염수에 녹기 쉽기 때문에 발전효율이 높다.

이 전지의 개발 포인트는 하나이다. 정극에 이용하는 산소환원촉매이다. 산소를 높은 효율로 분해하기 위해 필요한 촉매이다. 종래 기술에서는 백금(Pt) 및 희소금속을 사용할 필요가 있어 비용 상승의 원인이 되었다. 고가전지는 희소금속을 사용하지 않는 촉매를 개발함으로써 이 문제를 해결하였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr