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

작성자 : 편집부 2021-02-16 | 조회 : 1544

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

온실가스인 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘수소’와 ‘전기’를 더 쉽고 빠르게 생산하는 새로운 시스템이 개발됐다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 시스템을 분리하는 멤브레인(분리막)이 필요 없는 ‘멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리’를 개발했다. 기존 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다.

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.

김 교수팀은 선행연구를 통해 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’을 세계 최초로 개발한 바 있다. ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 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)이 92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다.

* 패러데이 효율(Faradaic efficiency): 반응을 일으키는데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다.

Membrane-free Mg-CO2 battery 전기화학 성능 분석 및 이산화탄소 활용 및 수소 생산 효율 데이터

(a) 최대 전력 생산량이 202.3mA cm-2의 전기화학적 성능을 가지며, (c) 최대 출력의 경우 64.8mW cm-2의 결과값을 보임.

수소 전환 효율의 경우 평균 > 92% 패러데이 효율을 가지는 것을 파악함.

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 그중 하나이다. 하지만 금속-이산화탄소 전지는 반응이 지속되면 전극에 쌓이는 고체생성물 때문에 전지용량이 떨어지는 단점이 있다.

김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(제1저자)은 “수계-금속 이산화탄소 시스템은 ‘금속-이산화탄소 전지’와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재한다는 점에서 지속적으로 구동 가능한 효율적인 CCUS 기술”이라고 설명했다.

Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도 및 생성물

실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체 형태로 형성된 것을 확인할 수 있음.

연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리(Membrane-free Mg-CO2 Battery)는 음극(마그네슘 금속)과 수계전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조다.

하지만 연료전지와 달리 촉매가 물속(수계전해질)에 담겨 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.

전동협 동국대학교 기계시스템공학 교수는 “시뮬레이션 결과 멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아낼 수 있었다”며, “문제점의 정확한 진단을 통해 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것”이라고 전했다.

김건태 교수는 “제조 과정은 단순화하면서도 이산화탄소 활용도를 더 높인 ‘멤브레인 프리’ 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며, “이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템 개발에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라고 설명했다.