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) 배터리/UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 김건태 교수팀이 멤브레인(membrane·분리막)이 필요 없는 '멤브레인 프리(membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리'를 개발했다.
기존 기술에 비해 이산화탄소 제거와 수소와 전기를 더 쉽고 빠르게 생산하게 됐다.
김 교수팀은 선행 연구에서 '수계 금속-이산화탄소 시스템'을 세계 최초로 개발했다.
이산화탄소를 녹여 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응으로 수소와 전기를 생산하는 시스템이다.
멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는 기존 수계 금속-이산화탄소 시스템과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단하고 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다.
개방된 시스템의 충·방전 에너지(Membrane-free Mg-CO2 battery) 사이클모식도 /UNIST 제공
음극(마그네슘 금속)과 수계 전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소 차 연료 전지와 유사한 구조다.
촉매가 물속(수계 전해질)에 있고 음극과 도선으로 연결돼 있다.
물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.
수소 발생 효율이 92%로 높고, 발생 속도도 매우 빠르다.
충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있는 장점이 있다.
이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 '이산화탄소 활용 및 저장 기술'(Carbon Capture, Utilization and Storage·CCUS)은 쓸모없이 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱 등 고부가가치 생성물이나 전기 에너지를 만들어 낸다.
'금속-이산화탄소 전지' 기술은 이산화탄소로 에너지를 생산하지만 고체 형태의 탄산염이 전극에 쌓여 방전 용량이 점점 줄고 안정성의 한계가 있었다.
수계-금속 이산화탄소 시스템은 금속-이산화탄소 전지와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재하는 만큼 지속해서 구동 가능한 효율적인 기술이다.
연구팀은 제조 과정은 단순화하고 이산화탄소 활용도를 더 높인 '멤브레인 프리' 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보고 있다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '나노 에너지'(Nano Energy)에 4일 자로 온라인 공개됐다.
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