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[사이언스] UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발

물에 녹은 이산화탄소로 수소와 전기 생산하는 독자 기술의 진화… Nano Energy 게재

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특허뉴스 선우정 기자
기사입력 2021/01/20 [23:26]

▲ 다양한 금속-이산화탄소 배터리 시스템 모식도 : 기존 선행 금속-이산화탄소 배터리 시스템(Organic Metal-CO2 battery)으로부터 현재까지 배터리 시스템의 발전 방향 가장 오른쪽이 이번에 개발한 멤브레인 (‘Membrane-free’ 금속-이산화탄소) 배터리임. 이산화탄소 활용 성능 및 가격 경쟁력이 향상되고 있음  © 특허뉴스

 

 

온실가스인 이산화탄소를 없애는 동시에 수소전기를 더 쉽고 빠르게 생산하는 새로운 시스템이 개발됐다.

 

UNIST 에너지화학공학부 김건태 교수팀은 시스템을 분리하는 멤브레인(분리막)이 필요 없는 멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리를 개발했다. 기존 수계 금속-이산화탄소 시스템과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다.

 

김 교수팀은 선행연구를 통해 수계 금속-이산화탄소 시스템을 세계 최초로 개발한바 있다. ‘수계 금속-이산화탄소 시스템은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템이다.

 

이번에 개발된 멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는(Membrane-free Mg-CO2 Battery)’은 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매)만을 필요로 한다. 수소 발생 효율(패러데이 효율)92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다.

 

이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 이산화탄소 활용 및 저장기술(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)’이 주목받고 있다. 이산화탄소로 전기에너지를 생산하는 금속-이산화탄소 전지’(Metal-CO2 Battery) 기술도 그 중 하나이다. 하지만 금속-이산화탄소 전지는 반응이 지속되면 전극에 쌓이는 고체생성물 때문에 전지용량이 떨어지는 단점이 있다.

 

김정원 UNIST 에너지공학과 석박사통합과정 연구원(1저자)수계-금속 이산화탄소 시스템은 금속-이산화탄소 전지와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재한다는 점에서 지속적으로 구동 가능한 효율적인 CCUS 기술이라고 설명했다.

 

▲ Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도 및 생성물 : 실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체형태로 형성된 것을 확인 할 수 있음  © 특허뉴스


연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리(Membrane-free Mg-CO2 Battery)는 음극(마그네슘 금속)과 수계 전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조다. 하지만 연료전지와 달리 촉매가 물속(수계 전해질)에 담겨져 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.

 

▲ Membrane-free Mg-CO2 battery를 활용한 충·방전 에너지 사이클 모식도  © 특허뉴스


전동협 동국대학교 기계시스템공학 교수는 시뮬레이션 결과 멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아 낼 수 있었다문제점의 정확한 진단을 통해 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것이라고 전했다.

 

김건태 교수는 제조 과정은 단순화하면서도 이산화탄소 활용도를 더 높인 멤브레인 프리기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것이라며 이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템 개발에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것이라고 설명했다.

 

이번 연구는 동국대 전동협 교수와 뉴 사우스 웨일즈 대학교(University of New South Wales)의 리밍 다이(Liming Dai) 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 나노에너지 (Nano Energy)’14일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다.

 

논문명은 Indirect surpassing CO2 utilization in membrane-free CO2 battery 이다.

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