▲ Membrane-free Mg-CO2 battery를 활용한 충방전 에너지 순환의 활용 모식도.(그림=UNIST)

[월간수소경제 성재경 기자] UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학부 김건태 교수팀이 멤브레인(분리막)을 없앤 ‘멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리’ 개발에 성공했다. 

기존 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다. 

김 교수팀은 선행연구를 통해 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’을 세계 최초로 개발한 바 있다. 이 시스템은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾼다. 

이번에 개발된 ‘멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리(Membrane-free Mg-CO2 Battery)’는 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매)만을 필요로 한다. 

수소발생 효율이 92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다. 

이 기술은 이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 ‘이산화탄소 활용 및 저장기술(CCUS)’로 주목받고 있다.  

▲ 다양한 금속-이산화탄소 배터리 시스템 모식도다. 기존 금속-이산화탄소 배터리 시스템(Organic Metal-CO2 battery)과 비교해서 이산화탄소 활용 성능과 가격 경쟁력이 크게 높아졌다.(그림=UNIST)

▲ Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도와 생성물이다. 실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체 형태로 침전된 것을 확인할 수 있다.(그림=UNIST)

연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는 연료전지와 달리 촉매가 물속(수계 전해질)에 잠긴 상태로 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고 전기와 수소가 만들어진다. 

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. 

동국대 전동협 교수, 뉴사우스 웨일즈 대학교의 리밍 다이(Liming Dai) 교수가 연구에 함께 참여했으며, 연구 결과는 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 1월 4일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다. 

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