이산화탄소로 수소·전기 만든다

UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없는 수계 금속-이산화탄소 배터리 개발

수계 금속-이산화탄소 배터리를 작동시키면 이산화탄소가 변환돼 수소와 전기가 만들어짐과 동시에 탄산마그네슘염 고체형태로 형성된다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 해외 공동연구를 통해 이산화탄소를 물에 넣어 수소와 전기를 만드는 신개념 배터리를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학부 김건태 교수팀이 분리막 없이도 수소와 전기를 만들어내는 '멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리'를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구진에 따르면 기존 '수계 금속-이산화탄소 시스템'과 달리 양극쪽과 음극쪽을 분리하는 막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다. 이 배터리의 성능을 측정한 결과 최대 전력 생산량이 202.3 ㎃/㎠, 최대 출력이 64.8 ㎽/㎠였다. 또한 수소 전환 효율의 경우 평균 92%로 높았다.

김 교수팀은 지난해 '수계 금속-이산화탄소 배터리'를 세계 최초로 개발한바 있다. 이 배터리는 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템이다.

이번에 개발된 '멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는 마그네슘으로 된 음극과 수계전해질, 양극만 있다. 수소 발생 효율이 92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 만들어지는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다.

김정원 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "수계-금속 이산화탄소 시스템은 '금속-이산화탄소 전지'와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재한다는 점에서 지속적으로 작동 가능한 효율적인 CCUS 기술"이라고 설명했다.

연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는 음극과 수계 전해질, 양극만 필요하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조다. 하지만 연료전지와 달리 촉매가 물속에 담겨져 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.

전동협 동국대학교 기계시스템공학 교수는 "시뮬레이션 결과 멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아 낼 수 있었다"며 "문제점의 정확한 진단을 통해 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것"이라고 전했다.

멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리를 활용한 충·방전 에너지 사이클. UNIST 제공

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.

이번 연구는 동국대 전동협 교수와 뉴 사우스 웨일즈 대학교의 리밍 다이 교수가 함께 참여했다.

연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 '나노에너지 '에 1월 4일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다.

[e-mail] 김만기 기자