이산화탄소 포집 전기 배터리 개발…지구 온난화 주범 온실가스 줄인다

이산화탄소를 흡착해 에너지를 만드는 새로운 배터리 연구결과가 주목받고있다.

최근 MIT 연구진이 개발한 새로운 유형의 전지는 발전소에서 포집한 이산화탄소를 일부 사용해 만들 수 있다.

금속 촉매를 사용해 이산화탄소를 특수 화학 물질로 전환하려고 시도하는 대신, 이 배터리는 방전시 방출되는 이산화탄소를 지속적으로 고체 탄산염으로 전환시킬 수 있다.아직 초기 단계의 연구로 상업화에는 시간이 걸리지만, 새로운 배터리는 전기 화학적이산화탄소 전환 반응을 조정하는 새로운 방법을 제시, 궁극적으로 대기로의 온실 가스 방출을 줄일 수 있다.

배터리는 연구원이 설계 한 리튬 금속, 탄소 및 전해질로 만들어졌다. 기계공학 조교수 베타르 겔런트(Betar Gallant), 박사과정 멜리자 쿠람(Aliza Khurram)과 박사후 연구원 밍푸 허(Mingfu He)의 연구결과는 ‘Joule’ 저널에 게재됐다.

현재 탄소포집시스템을 갖춘 발전소는 일반적으로 이산화탄소의 포획, 방출 및 저장을 위해 전력을 생산하는 데 사용되는 전기량을 최대 30 %까지 사용한다. 이 프로세스 비용을 줄이면 시스템 경제성을 개선할 수 있다.

일반적으로 물을 통한 이산화탄소의 전기화학적 전환은 높은 에너지가 투입되고, 생성된 화학 물질의 선택성이 좋지 않다. 리튬 기반 배터리 등 비수성(nonaqueous, not water-based) 전기화학적 반응에 전문성이 있는 겔런트 연구팀은 이산화탄소 포집 화학이 이산화탄소가 담긴 전해질(배터리의 세 가지 핵심 부품 중 하나) 제작에 활용할 수 있는지를 조사했다. 전해질에서 배터리 방전 기간 포집된 가스를 사용해 전원 출력을 제공 할 수 있었다.

이 접근법은 현재 이산화탄소 포집 및 저장, CCS(Carbon Capture and Storage)에서 사용하는 것처럼 장기 저장을 위해 이산화탄소를 가스 상태로 되돌리는 것과는 다르다. 이 분야는 일반적으로 발전소에서 화학 흡착 과정을 거쳐 이산화탄소를 포획한 다음 이를 지하층에 저장하거나 연료 또는 화학 원료로 화학적으로 변경하는 방법을 모색한다.

대신,이 팀은 배터리의 주요 구성 요소 중 하나인 물질을 만들기 위해 발전소 폐기물 흐름에 잠재적으로 사용될 수 있는 새로운 접근법을 개발했다.

방전시 발생하는 가스를 사용하는 리튬 – 이산화탄소 배터리 개발에 대한 관심이 최근 증가하고 있지만, 이산화탄소의 낮은 반응성은 일반적으로 금속 촉매를 필요로 한다. 이는 고비용일뿐만아니라 과정도 제대로 이해되지 않고 있으며 반응을 제어하기가 어렵다.

그러나 가스를 액체 상태로 통합해 겔런트 연구팀은 탄소 전극만을 사용해 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하는 방법을 발견했다. 핵심은 아민 용액에 이산화탄소를 통합(incorporating), 이산화탄소를 사전 활성화시키는 것이다.

겔런트는 “우리가 최초로 제시한 것은 기술이 보다 쉬운 전기화학 작용을 위해 이산화탄소를 활성화시키는 것”이라며 “수성 아민과 비수성 전해액 전해질이라는 두 가지 화학 작용은 일반적으로 함께 사용되지는 않지만, 그 조합이 방전 전압을 증가시키고 이산화탄소의 지속적인 전환을 가능하게 하는 새롭고 흥미로운 행동을 부여한다는 것을 발견했다”고 MIT리뷰와 인터뷰에서 밝혔다.

그들은 일련의 실험을 통해 접근법이 최첨단 리튬 가스 배터리와 경쟁 가능한 전압 및 용량의 리튬 이산화탄소 배터리를 생산할 수 있음을 제시했다. 무엇보다, 아민은 화학반응에서 소비되지 않는 분자 프로모터로서 작용한다.

핵심은 올바른 전해질 시스템을 개발하는 것이다. 초기 개념 증명 연구에서 그들은 비 수용성 전해질을 사용하기로 결정했는데, 이는 비 수용성 전해질은 사용 가능한 반응 경로를 제한하고 따라서 반응을 특성화하고 생존력을 결정하기 더 쉽기 때문이다. 그들이 선택한 아민 물질은 현재 CCS 응용에 사용되지만 이전에는 배터리에 적용되지 않았다.

이 초기 시스템은 아직 최적화되지 않았기 때문에 추가 개발이 필요할 것이라고 연구진은 말한다. 한 가지로, 배터리의 사이클 수명은 10회의 충 방전 사이클로 제한되므로 재충전 능력을 향상시키고 셀 구성 요소의 성능 저하를 막기 위해 더 많은 연구가 필요하다.

그럼에도 이 개념은 큰 잠재력을 가진다. 탄소 포집은 온실 가스 배출 감축을위한 전 세계적인 목표를 달성하는 데 필수적으로 널리 고려되고 있지만 결과로 나온 모든 이산화탄소를 폐기하거나 장기적으로 사용하는 방법은 아직 없다. 지하 지층 처분은 여전히 주요 대안이지만 이 접근법은 아직 증명되지 않았으며 수용 할 수 있는 양이 제한 될 수 있다. 또한 드릴링 및 펌핑을 위해 추가 에너지가 필요하다.

연구진은 또한 프로세스의 연속 작동 버전을 개발할 가능성을 조사하고 있다. 이 버전은 사전로드 된 공급 장치가 아닌 아민 물질로 압력 하에서 이산화탄소의 일정한 흐름을 사용하여 지속적으로 전력을 공급할 수 있도록 한다. 따라서 배터리에 이산화탄소가 공급되는 한 안정적인 출력을 낼 수 있다. 궁극적으로 이들은 발전소의 배출 가스 흐름에서 이산화탄소를 포집하고 배터리로 사용할 수 있는 전기 화학 소재로 변환하는 통합 시스템으로 이를 구현하기를 희망한다.

한편, 서울대 강기식 교수는 “겔런트 교수와 동료들은 금속 가스 배터리 전기 화학 및 이산화탄소 포획 화학이라는 두 가지 분야의 사전 지식을 독창적으로 결합해 배터리의 에너지 밀도와 이산화탄소 포집의 효율을 향상시키는 데 성공했다”고 설명했다.

이산화탄소의 생성물 형성에 대한 보다 정확한 이해에는 더 시간이 걸릴 수도 있지만, 이같은 학제 간 접근법은 매우 흥미롭다.

*참고 : New battery gobbles up carbon dioxide