이산화탄소 잡는 고수명·고효율 배터리
이산화탄소 잡는 고수명·고효율 배터리
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.29 23:55
  • 조회수 596
  • 댓글 0
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요약

 

공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 '리튬-이산화탄소 전지'의 수명과 성능을 개선한 기술이 등장했습니다. 연구진은 5성분계 질산(nitrate) 용융염을 리튬-이산화탄소 전지의 전해질로 사용해 과전압을 크게 낮췄습니다. 또한 루테늄 나노촉매를 전지환원 전극에 적용했습니다. 그 결과 고(高)전류밀도에서 구동해 전지 수명과 전력 밀도가 크게 향상된 새로운 리튬-이산화탄소 전지를 개발해냈습니다. 공장 굴뚝과 같이 뜨겁고 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 효과적으로 이산화탄소를 잡아낼 수 있을 전망입니다.

공자굴뚝 이산화탄소 잡아내자. 출처: Pixabay
공자굴뚝 이산화탄소 잡아내자. 출처: Pixabay

UNIST 에너지 및 화학공학부 강석주·곽상규·안광진 교수 공동 연구팀은 리튬-이산화탄소 전지(Lithium-carbon dioxide Battery)의 전해질을 기존과 달리해 성능을 크게 높였습니다. 전해질로는 용융염(molten salt)을 쓰고, 추가적으로 루테늄(Ru) 촉매를 도입했는데요. 공장 굴뚝과 같이 뜨겁고 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 효과적으로 이산화탄소를 잡아낼 수 있게 됐습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.

  • 5성분계 질산 용융염(nitrate-based quinary molten salt)

5가지 질산염으로 이루어진 용융염. 리튬 질산염(LiNO₃), 칼륨 질산염(KNO₃), 세슘 질산염(CsNO₃), 나트륨 질산염(NaNO₃), 그리고 칼슘 질산염(Ca(NO₃)₂)이 5성분계 질산 용융염을 구성하고 있습니다.

  • 루테늄 나노 촉매(ruthenium nanocatalyst)

원자 번호 44번을 가지는 전이 원소 금속인 루테늄을 나노 입자 크기로 만들어 반응을 촉진하는 촉매 종류입니다. 전기화학 반응을 촉진합니다.

 

5성분계 용융염 전해질과 루테늄을 이용한 리튬-이산화탄소 전지의 전기화학적 성능 향상. 출처: UNIST
5성분계 용융염 전해질과 루테늄을 이용한 리튬-이산화탄소 전지의 전기 화학적 성능 향상. 출처: UNIST

이산화탄소 먹는 '리튬-이산화탄소전지'

 

리튬-이산화탄소 전지는 리튬(Li)을 음극재로 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 이차전지입니다. 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전이 일어납니다. 특히 전지에 전류가 흐르면서 전기를 사용하는 방전 때 이산화탄소를 사용하는 반응이 일어나기 때문에 공기 중에 있는 이산화탄소를 포집할 수 있습니다. 

 

하지만 전지의 작동 과정에서 탄산리튬(Li₂CO₃)이 생기고 부반응으로 인해 과전압이 높아지기 때문에 전지의 수명과 성능이 떨어지는 문제가 발생합니다. 과전압은 전극에 가해지는 이론값 이상의 전압에 의해 발생하며 전극에 과부하를 주어 전지의 수명을 줄입니다. 또 과전압은 전지가 작동하는 전류밀도(단위면적당 흐르는 전류의 양)를 제한해 이산화탄소를 잡아들이는 효율을 떨어뜨립니다. 이산화탄소를 포집하는 반응은 방전 시에 일어나기 때문에 이산화탄소를 잡는 효율을 높이려면 높은 전류밀도에서 전지가 작동해야 합니다. 

 

고체질산염·루테늄 나노촉매 추가해 과전압 낮췄다

 

이를 해결하기 위해 연구팀은 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였습니다. 고체질산염은 100°C 이상 고온에서 녹아 전해질로 작용하며 충·방전 시 반응에서 부반응 줄여 과전압을 낮출 수 있었습니다.

용융염과 루테늄 나노 입자를 이용한 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 전기화학적 성능. 출처: UNIST
용융염과 루테늄 나노 입자를 이용한 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 전기화학적 성능. 출처: UNIST

루테늄 촉매 또한 추가로 과전압을 낮추고 전류밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 도왔습니다. 그 결과 단위 부피당 출력을 나타내는 '전력밀도(power density)'도 기존 전해질에 비해 13배나 향상됐습니다. 따라서 궁극적으로 고에너지 충전지 시스템과 고효율 이산화탄소 포집 장치의 상용화에 크게 기여할 수 있고 최근 주목받고 있는 화성 탐사의 전력원으로 활용 가능성 또한 기대됩니다.

충전 시 탄산리튬이 분해되는 반응 메커니즘. 출처: UNIST
충전 시 탄산리튬이 분해되는 반응 메커니즘. 출처: UNIST

 

  • 전력밀도

P(전력 밀도)= {i(전류) × V(평형 전압 – 과전압)} ÷ 전지의 두께 (L)로, 전력밀도가 높을수록 작은 부피로 높은 출력을 낼 수 있습니다.

곽상규 교수. 출처: UNIST
곽상규 교수. 출처: UNIST

 

 

 

곽상규 교수는 "배터리가 전기를 쓰는 방전 시에는 루테늄 촉매가 불안정한 이산화탄소 음이온의 전자를 공유함으로써 반응에 필요한 에너지 장벽인 과전압이 낮아지고 전류밀도와 전력밀도가 향상됐다"고 반응 원리를 설명했습니다.

 

 

 

강석주교수. 출처: UNIST
강석주교수. 출처: UNIST

 

 

강석주 교수는 "이번 연구를 통해 고(高)전류밀도에서 구동 가능한 리튬-이산화탄소 전지가 최초로 개발됐다"며 "전지의 전력밀도가 대폭 증가해 고성능 차세대 충전지 시스템과 이산화탄소 포집 장치로서 리튬-이산화탄소 전지를 상용화하는 일에도 한 걸음 더 다가섰다"고 강조했습니다.

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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