[에너지코리아뉴스] 미국 하버드 대학 연구팀은 주거용과 상업용 모두에 안전하고 비용 효율적인 일광, 풍력 등과 같은 간헐적으로 이용할 수 있는 에너지 자원으로부터 전기를 저장할 수 있는 재충전 배터리(rechargeable battery)를 증명했다.
새로운 연구는 그리드 수준에서 보다 더 저렴하고 신뢰할 수 있는 전기 저장(electricity storage)이 가능하다는 것을 보여줬다. 새로운 배터리에서 물에 용해되어 있는 저렴하고 지구상의 풍부한 원소(탄소, 산소, 질소, 수소, 철 및 칼륨)로 구성된 화합물에 의해 전자가 얻어지고 방출된다. 이 화합물은 비독성, 비가연성으로 널리 이용될 수 있으며, 다른 배터리 시스템보다 더 안전하고 저렴하다.
하버드 대학 재료 및 에너지 기술 분야 교수인 Michael J. Aziz는 비독성과 수용액에 놓여 있는 저렴하고 풍부한 재료가 사람이 있는 근처 어느 곳이나 다량의 전기 에너지를 저장할 때 화재가 일어날 수 없는 안전한 상태임을 의미한다고 밝혔다. 연구 논문은 <알칼리성 퀴논 흐름 배터리(Alkaline quinone flow battery)>라는 제목으로 사이언스 저널에 발표됐다. 연구팀은 이전의 재료와 비교했을 때 약 50%에 이르는 배터리 전압을 증가시키기 위하여 저렴한 식품 첨가물과 일반적인 유기 염료를 결합했다고 Gordon은 밝혔다. 연구 결과는 흐름 배터리(flow battery)를 위한 높은 성능의 비가연성, 비독성, 비부식성 및 저비용 화학물질을 제공했다. 고체-전극 배터리와 달리 흐름 배터리는 연료 전지와 유사한 외부 탱크에 들어 있는 액체에 에너지를 저장한다. 유액을 통과하는 전기화학적 전환 장치뿐 아니라 탱크는 독립적으로 크기를 변화시킬 수 있다. 저장될 수 있는 에너지의 양은 탱크의 크기를 확대함으로써 마음대로 증가될 수 있기 때문에 더 많은 양의 에너지가 전통적인 배터리 시스템보다 더 저렴한 비용 수준에서 저장될 수 있다.
대부분의 흐름 배터리 디자인에서 전해질의 활성 구성 성분은 산에 용해된 바나듐과 같은 금속 이온이다. 금속은 고가이며, 다루기 어렵고 부식될 수 있으며, 느린 역학 덕분에 비효율적이다. 2014년 Aziz와 하버드 대학 동료 연구진은 퀴논(quinone)이라고 불리는 탄소 기반의 유기 분자로 금속을 대체할 수 있는 흐름 배터리를 증명했다. 퀴논은 풍부하고 자연적으로 발생하는 화학물질로 광합성과 세포 호흡과 같은 생물학적 공정에 필수적인 물질이다.
수용액 중 퀴논은 배터리의 음극 전해질(negative electrolyte) 쪽에서 형성되는 반면, 양극 쪽은 몇 가지 다른 배터리에 사용되는 브롬을 함유하는 상용 전해질에 의존한다. 이 기술의 높은 성능과 저비용은 유틸리티에 규모를 확대할 수 있는 그리드 수준의 저장 방안을 제공한다. 그러나 브롬의 독성과 휘발성 때문에, 숙련된 전문가가 안전 관리를 수행할 수 있는 장소에 설치하는 것이 가장 적합하다.
따라서 연구팀은 가정과 업무용에 안전하게 배치될 수 있는 화학물질을 이용하여 저렴하고 수명이 길며 효율적인 저장 이득을 제공하는 새로운 방안을 찾기 시작했다. 연구팀이 개발한 새로운 배터리는 브롬을 페로시안 화합물(ferrocyanide)이라고 불리는 비독성 및 비부식성 이온으로 대체했다.
페로시안 화합물 내에 존재하는 시안화물(cyanide)은 신체에서 철과 단단하게 결합해 인간을 죽일 수 있다. 그러나 페로시안 화합물에서 시안화물은 이미 철과 결합되어 있기 때문에 안전하다. 사실 페로시안 화합물은 식품 첨가물로 일반적으로 사용되고 있으며, 비료로도 사용된다.
페로시안 화합물이 산성 용액보다 알칼리 용액에서 안정하고, 용해되기 쉽기 때문에 연구팀은 2014년 연구팀이 개발했던 원래의 배터리가 가지는 산성 환경과는 반대로 페로시안 화합물을 알칼리성 조건 하에서 안정적이고 수용성인 퀴논 화합물과 짝을 이루게 만들었다.
Marshak은 손상된 일회용 AA 배터리와 접촉하기 위하여 알칼리성 용액에 대한 노출을 비교했다. 알칼리 용액을 이용하는 다른 장점이 있다. 알칼리 용액은 비부식성이기 때문에, 흐름 배터리 시스템의 구성 원소는 플라스틱과 같은 더 저가의 재료로 보다 더 단순하게 이루어질 수 있다.
1세대 흐름 배터리는 철, 크롬 또는 바나듐과 같은 전이 금속의 단일 원소의 짝이었다고 이 연구에는 참여하지 않았던 United Technologies Research Center에서 전기화학적 시스템 프로젝트 책임자인 Michael Perry는 밝혔다.
현재 연구진은 얻기를 원하는 한 가지 완전한 시스템의 특성과 요인을 제공할 수 있도록 분자를 공학적으로 제어할 수 있는 가능성을 찾고 있다. 추가 연구가 필요하지만 하버드 대학 연구팀은 실제로 차세대 화학의 가능성을 증명할 계획이다.
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문: http://phys.org/news/2015-09-rechargeable-battery-power-home-rooftop.html