| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-05 |
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 탄소를 연료로 하는 배터리 전지의 주요 단점 중 하나는 일산화탄소 산화(CO oxidation)를 촉발하는 이산화탄소가 본질적으로 존재하는 데 있다. 이러한 상황은 전지의 에너지 밀도를 낮추는 중요한 원인이 된다. 최근 중국 난징 기술대학(Nanjing Tech University) 소속의 연구진과 호주 퍼스에 위치한 컬틴 대학(Curtin University in Perth) 소속의 연구진은 이산화탄소에 대하여 매우 높은 투과성을 나타내지만, 다른 기체를 누출되지 않게 포획할 수 있는 새로운 이중 상 이온-전도성 세라믹 막(dual-phase ion-conducting ceramic membrane)을 개발하여 그 적용 가능성을 제안했다. 연구진은 에너지 운반체로서 고체 탄소(solid carbon)를 고체 산화물 연료 전지(SOFC; solid-oxide fuel cell)에 통합함으로써, 효율적인 이산화탄소의 제거를 가능하게 하고, 전기화학적 전지의 동력 밀도를 강화시킬 수 있다고 밝혔다. 관련 연구는 “높은 동력을 생산하는 탄소-공기 배터리(A Carbon–Air Battery for High Power Generation)”라는 제목으로 Angewandte Chemie 저널에 발표됐다. 비록 배터리가 휴대용 전자기기 장치에 광범위하게 사용되고 있다고 하더라도, 배터리는 아직까지 높은 효율의 동력 공급을 수행하지 못하고 있다. 반복적으로 발생하는 문제들은 열악한 에너지 밀도와 안정성과 관련된 것이며, 이 두 가지 문제는 특히 널리 사용되고 있는 리튬 이온 배터리에서 큰 우려를 낳고 있다. Zongping Shao 교수와 동료 연구진은 연료로 고체 탄소를 이용하여 SOFC의 기초에 전기화학적 전력 공급(electrochemical power supplies)을 개발하는 다른 접근을 선택했다. 연구팀이 개발한 새로운 탄소-공기 배터리(carbon–air battery)는 양극 지지물에 의해 통합된 촉매 반응으로 활성화된 탄소를 포함하는 자체적인 연료 용기를 가지고 있다. 그러나 새로운 유형의 탄소-공기 배터리의 가장 유망한 특징은 효율적인 이산화탄소 격리(CO2 separation)를 가능하도록 특별하게 고안된 세라믹 막(ceramic membrane)의 추가와 이러한 막의 추가로 전지 이용 효율을 증가시킬 수 있다는 점이다. 배터리에서, 이산화탄소는 전극에서 형성되고, 이후 전극으로 신속하게 확산되어 반응 속도를 강화시키는 기체성 일산화탄소를 형성하기 위하여 탄소 연료와 반응한다. 세라믹 막은 높은 탄산염 전도성(carbonate conductivity)을 통하여 이산화탄소 투과성(CO2 permeability)을 제공할 수 있지만, 탄산염 전도성이 아니라 산소 이온 전도성 상이라고 저자들은 설명했다. 이러한 특성은 효율적인 이산화탄소 투과성에 중요하다. 따라서 연구진은 높은 이온 전도율(ionic conductivity)을 나타내는 사마륨을 함유하는 산화 세륨(SDC; samarium-containing cerium oxide)을 선택했다. 소결(sintering)은 효율적인 산소 이온 전도 경로를 제공하기 위하여 융해된 입자와 다공성 SDC 기초를 형성했다. 이후 공간(void spaces)은 치밀한 밀도의 SDC–탄산염 이중상 막을 형성하기 위하여 용융 탄산염(molten carbonate)으로 채워졌다. 이러한 새로운 이중 상 이온 전도성 세라믹 막은 완벽하게 기체가 새지 않는 구조를 제공할 뿐 아니라, 유사한 막에 대하여 보고된 수치보다 훨씬 더 높은 시간 의존적인 뛰어난 이산화탄소 투과성 흐름(CO2 permeation flux)을 제공했다. 이 연구에서 연구진은 세라믹 이산화탄소 투습성 막과 통합된 고체 산화물 연료 전지를 기반으로 하는 동력 생산을 가능하게 하는 탄소-공기 배터리를 보고했다. 양극 지지 관으로 된 SOFC가 동력 생산을 위한 전기화학적 장치일 뿐 아니라, 탄소 연료 용기로 작용한다. 한편 산소의 전도성 형태(Sm0.2Ce0.8O1.9)와 탄산염 혼합물로 구성된 고온 이산화탄소 투습성 막은 양극 챔버로부터 전기화학적 생성물인 이산화탄소의 현장 격리를 위하여 통합되어 높은 연료 이용 효율성을 제공했다. 탄소를 일산화탄소로 현장 기체화를 촉진하기 위한 역 부다 반응(reverse Boudouard reaction) 촉매로 탄소 연료를 변형한 후, 279.3 mW cm−2에 이르는 첨두 전력 밀도(peak power density)가 850°C에서 탄소-공기 배터리에 대하여 달성됐다. 두 개의 배터리를 이용하는 약간의 적층은 200분 동안 연속적으로 운영될 수 있다. 이 연구는 다양한 응용 가능성을 가지는 전기화학적 에너지 장치의 새로운 유형을 제공하고 있다. 이러한 개선은 이 논문에서 보고된 기술을 이용하여 제작된 훨씬 개선된 막의 치밀화(densification)에 기인한다고 연구진은 지적했다. 게다가 850°C에 이르는 높은 SOFC 적용을 위한 운영 온도에서 매력적인 동력 밀도와 기회로 전압(open-circuit voltages)이 유지될 수 있다. 이 기술의 응용은 고온에서 운영될 필요가 있는 휴대용 에너지 공급이 포함될 수 있을 것이다. 그림1> 튜브에 배치된 배터리 : 고체 산화물 연료 전지의 오랜 장애가 극복됐다. | |
