이산화탄소 없애며 수소·전기 생산 새 배터리 개발

온실가스인 '이산화탄소'를 없애는 동시에 '수소'와 '전기'를 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 배터리'를 개발했다.

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

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 배터리(Membrane-free Mg-CO2 Battery)'는 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매)만을 필요로 한다.

수소 발생 효율(패러데이 효율) 패러데이효율 (Faradaic efficiency)이 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 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.

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.
물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.
 정혜원기자 usjhw@