[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소는 높은 에너지 밀도와 연소 시 물만 발생한다는 친환경적 성질로 인해 미래 에너지 운반체로 각광받고 있다. 그러나 현재 수소 저장 시스템은 고온·고압 등의 안전 문제와 더불어 높은 에너지가 필요하기 때문에, 에너지 저장을 위해 에너지를 사용해야 하는 역설적인 상황을 연출한다. 따라서 수소를 차세대 연료로써 사용할 수 있으려면, 상당한 양의 수소를 안전하게 저장할 수 있는 혁신적인 기술이 필요하다. 그 목표를 달성하기 위해 세계적으로 다양한 연구가 진행되었지만, 여전히 수월한 수소 저장·활용은 어려운 실정이다.

한편, 알칼리 금속과 물의 화학 반응은 상온·상압에서 가능하면서 DoE1)에서 설정한 최종 목표를 쉽게 능가할 수 있는 유망한 수소 저장 방법이지만, 비가역적 특성으로 인해 지속 가능한 수소 생산이 불가능하다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 재생 가능한 알칼리 금속2) 사용과 그로 인한 지속 가능한 수소 생산을 위해 기존의 알칼리 금속·물의 화학 반응에 해수 전지 시스템3)을 접목시켰다. 흔히 알고 있는 바닷물, 즉 해수는 높은 농도의 소듐(Na)4)과 기타 원소를 포함한 물인데, 이 해수 속 알칼리 금속인 소듐을 활용하여 기존의 비가역적 특성의 한계를 벗어나 지속 가능한 수소 생산을 목표로 삼았다.

연구팀은 소듐만 유일하게 이동할 수 있는 분리막(NASICON)이 포함된 배터리 셀5)을 수소 저장 시스템에 이용하여 충전 중 알칼리 금속이 수집되고 방전 과정에서 알칼리 금속 소모와 동시에 수소 생산이 가능하게 하였다. 기존의 ‘알칼리 금속과 물의 바가역적 화학 반응’의 약점을 공략하여 ‘알칼리 금속의 가역적 재생과 지속적인 물의 전기화학 반응’을 새롭게 제시한 것이다.

본 연구팀은 산소를 완전 차단한 아르곤(Ar) 환경에서 수소 수집이 99.7%의 패러데이 효율(Faraday efficiency)6)로 가능함을 보였다. 또한, 공기 중 산소가 존재하는 경우에도 해수 전지 수소 저장 시스템은 99.1%의 패러데이 효율을 확보했다. 더하여, 상용화의 가능성을 확인하기 위해 크기가 확대된 해수 전지를 이용했음에도 94.7%의 패러데이 효율을 확보했다. 

3. 기대효과

본 연구팀이 제시한 ‘알칼리 금속의 가역적 재생과 지속적인 물의 전기화학 반응’으로 중요한 반응물인 나트륨을 영구적으로 제공하면서 친환경 연료인 수소를 지속적으로 생산할 수 있었다.

차세대 에너지 저장 시스템으로 각광받는 해수전지를 이용하여 친환경 연료인 수소를 지속적으로 생산할 수 있는 기술이기 때문에 고온·고압이나 유기물 누출과 같은 위험에 노출되지 않으며, 결과적으로 수소를 연료로 사용하는 차세대 운행수단을 위한 직접적인 스마트 충전 스테이션 등 수소 생산·저장이 필요한 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. DoE

미국 에너지부(Derpartment of Energy)는 미국 내각 수준의 미국 정부 부서로, 에너지 및 핵 안보에 대한 미국의 정책과 관련되어 있다. 핵무기 프로그램, 미국 해군을 위한 원자로 생산, 에너지 절약 에너지 관련 연구, 방사성 폐기물 처리, 미국 에너지 생산에 대한 일을 한다. 미국 DoE에서는, 차량용 수소저장 물질의 조건으로, 저장온도 85 °C 이하 –40 °C 이상, 저장압력 12 bar 이하, 수소 저장체 기준 단위무게 비 6.5% 이상, 수소 저장비 50g/L 이상, 가역성 등을 제시하고 있는데 현재로는 이 모든 조건을 만족하는 수소저장 물질은 발견되지 않았다.

2. 알칼리금속

알칼리 금속은 주기율표의 1족에 속하는 원소로 수소를 제외한 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)의 6개 원소를 일컫는다.

3. 해수전지

기존의 리튬이온 배터리는 무기용매, 즉 물을 사용하지 않고 유기용매를 리튬이온의 이동을 위한 공간으로 사용한다. 하지만 해수전지는 말 그대로 해수를 용매로 사용하는 전지다. 여기서 해수는 고농도의 나트륨이온을 포함하고 있으므로, 나트륨이온만을 통과시키는 분리막을 개발·적용하여 물과 접촉할 수 있는 배터리 셀을 사용하는 것이 특징이다.

4. 소듐

소듐(나트륨)은 원소 기호 Na, 원자번호 11번, 주기율표의 1족 즉, 알칼리 금속의 3주기에 위치하는 금속 원소이다. 소금의 화학명은 염화나트륨이다.

5. 배터리 셀

배터리로써 역할을 하기 위해 필요한 전해액, 음극 혹은 양극, 분리막 등이 모두 포함된 하나의 집합체이다.

6. 패러데이 효율

총 사용된 전기에너지 중 원하는 반응(본 연구는 수소)에 쓰인 전기에너지의 비율이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 해수전지 수소 저장 시스템 모식도

온-사이트, 온-보드 수소 저장을 위한 해수전지 수소 저장 시스템이다. 본 시스템은 알칼리 금속을 음극으로, 집전장치를 양극으로 하되, NASICON(나트륨 이온만을 통과시키는 분리막)을 중심으로 분리되어 있다. 충전 시 해수전지 음극에서 나트륨 이온이 환원돼 나트륨 금속 형태로 저장되고, 방전 시 나트륨 금속이 나트륨이온이 되면서 해수로 이동함과 동시에 양극에서 수소가 생성된다. 보라색 하늘색 연결선은 각각 전기 에너지와 수소가 해수전지 수소 저장 시스템에서 어떤 식으로 생성·운반되는 지를 보여주는 인프라 구축 설계선이다.