보도자료

2024. 7.23.(화)부터 보도해 주시기 바랍니다.

담수 배터리, 에너지 저장과 해수담수화 동시 해결!

UNIST 연구팀, 이온교환 수지와 해수전지 이용한 해수담수화 기술 개발
담수 배터리의 오랜 난제, 염소 포집법 제시… ACS Energy Letters 게재

기후변화로 물 부족이 심각해지면서 해수담수화 필요성이 커졌다. UNIST 연구팀이 담수화 과정에서 발생하는 CO2 배출 문제를 해결하기 위해 신재생 에너지 저장과 담수화를 동시에 실현하는 기술을 개발했다.

UNIST(총장 박종래) 에너지화학공학과 안광진 교수팀과 김영식 교수팀은 바닷물을 담수화하는 배터리를 개발했다. 이 배터리는 충전과 방전 과정에서 염소를 반복적으로 포집한다. 음이온교환수지를 활용해 염소를 효과적으로 포집하고 재생할 수 있다.

연구팀은 375mL의 해수를 공업용수 수준까지 탈염하는 데 성공했다. 기존 배터리는 방전 시 염소의 60%가 전극에 잔류해 재생이 어려웠지만, 담수 배터리는 99% 이상 제거해 우수한 재생능력을 보였다.

담수 배터리는 방전 과정에서 음극에 포집된 나트륨이 배출되며, 동시에 음이온교환수지에 포집된 염소도 함께 배출된다. 양극에서 발생하는 수산화이온(OH-)을 이용해 추가적인 에너지 없이 이온교환수지를 재생하는 원리이다.

실제 해수환경에서도 정상 작동했으며, 약 3.9 wt%의 해수를 약 0.7 wt% 수준까지 담수화했다. 공업용수로 활용 가능한 수준이다.

안광진 교수는 "이 기술로 에너지 저장용 배터리와 해수담수화 장비를 하나로 통합해 설비 비용을 절감할 수 있다"며, "신재생 에너지를 저장해 지속가능한 해수담수화에 기여할 것"이라고 설명했다.

김영식 교수는 “담수 배터리를 이용한 해수담수화가 차세대 해수담수화 기술로서 상용화되는 시기를 앞당길 것”이라고 말했다.

연구 결과는 ACS Energy Letters에 2024년 5월 16일 게재됐다. 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 동그라미 재단의 지원을 받아 수행됐다.

(논문명: Ion-exchange desalination battery with reversible chloride capture)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

에너지화학공학과: 안광진 교수 (052)217-2586

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

지난 몇십년간, 기후변화로 인해 물부족 문제가 심각해졌다. 이에 따라 해수담수화의 수요가 급증하고 있으나, 문제는 담수화를 위해 필요한 에너지를 생산하는 과정에서 해수 1 m3당 약 1.8 kg의 CO2가 발생한다는 것이다. 이는 지구온난화를 야기하고 물부족문제를 더 악화시키는데, 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 신재생 에너지와 해수담수화의 연계가 필수적이며, 이를 위한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 태양광 발전과 역삼투 해수담수화를 연계한 PV-RO라는 기술이 기존에 개발된 대표적인 사례이다. 그러나 이러한 방식은 태양광과 같은 에너지의 원료가 기후나 시간대에 따라 불안정하다는 한계 때문에 에너지저장장치가 별도로 필요하다. 이러한 점에서 에너지저장과 해수담수화를 동시에 할 수 있는 ‘담수 배터리’ 기술이 대안으로 떠오르게 되었다. ‘담수 배터리’는 배터리의 충전 과정에서 해수에 포함된 나트륨 및 염소를 포집하면서 해수 안의 염분을 제거하여 담수화를 가능하게 한다. 이 때 충전 과정에서 포집한 나트륨와 염소를 방전과정에서 배출할 수 있어야 해당 해수담수화를 반복적으로 구동할 수 있다. 나트륨의 경우, 해수배터리의 구동과정에서 포집과 배출을 반복하는 것이 가능하나 염소의 경우 가역적인 흡탈착이 까다로워 반복적인 포집과 배출이 제한적이다. 이는 전극이 염소를 포집하는 순간 전자전도도가 낮아져 배출에 필요한 전기화학 반응이 원활하지 않게되기 때문이다. 따라서 염소를 반복적으로 포집 배출하기 위해서는 새로운 방식의 포집법이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구팀은 해수전지와 음이온교환수지를 이용하여 염소를 반복적으로 포집 배출할 수 있는 배터리를 개발하였다. 기술의 핵심적인 부분은 기존의 에너지 저장목적으로 개발된 해수전지에 양극부를 하나 더 추가하여, 충전과정에서 사용할 해수와 방전과정에서 사용할 해수를 분리하였으며, 해당 해수는 각각 충전 및 방전 과정동안 음이온교환수지가 채워진 칼럼을 순환하도록 하였다. 충전 과정에서 해수에 포함된 나트륨은 해수전지의 음극에 포집되고, 염소는 음이온교환수지에 포집된다. 반대로 방전과정에서는 음극에 포집된 나트륨이 배출되고, 음이온교환수지에 포함된 염소 또한 배출된다. 이는 양극에서 발생하는 OH-가 음이온교환수지의 염소를 탈착시키기 때문이다. 기존 담수배터리의 경우, 염소포집 전극이 염소포집 이후 배출하는 과정이 이뤄지지 않아 방전을 하더라도 흡착했던 염소의 60% 이상이 전극에 그대로 잔류해 있었던 반면, 이온교환 담수배터리의 경우 흡착했던 염소의 99% 이상이 배출됨을 확인하였다. 결과적으로 20 cycle 이상 일정 수준의 염소 포집용량이 유지되는 것이 검증되었다. 이온교환담수배터리는 실제 해수환경에서도 정상적으로 작동하였으며, 연구팀은 개발된 이온교환 담수배터리 장치를 통해 약 3.9 wt%인 실제 해수를 약 0.7 wt% 수준까지 담수화하는데 성공하였다. 이는 공업용수 정도로 활용가능한 수준이다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발한 이온교환 담수배터리는 에너지저장과 해수담수화를 동시에 수행할 수 있는 기술이다. 이 기술을 통해 에너지저장용 배터리와 해수담수화용 장비를 별도로 구축하는 것이 아니라, 하나의 장비만으로 두 가지 기능을 수행함으로써 설비 비용을 절감할 수 있을 것이다. 이는 신재생 에너지를 활용한 해수담수화를 효과적으로 가능하게 할 것이며, 지속가능한 해수담수화에 기여할 것이다.

[붙임. 용어설명]

1. 해수전지 (Seawater battery)

해수를 양극으로 활용하는 에너지 저장장치이다. 해수를 활용하기 때문에 비용이 낮고 열관리 성능이 우수하다는 특징이 있다. 양극에서 발생하는 반응을 이용하여 에너지저장 뿐만 아니라 탈염, 살균, 수소 생산 등 다양한 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 이온교환수지 (Ion exchange resin)

폴리머 소재의 모체와 이온교환이 가능한 작용기로 구성되어 있으며, 양이온 교환수지 또는 음이온교환수지가 있음. 음이온 교환수지의 경우, 대개 OH- 또는 Cl-(염소 이온)와 결합하고 있다. 음이온 교환수지는 OH-와 결합하고 있을 때, 외부 용액에 Cl-가 있을 경우, 두 이온이 교환되어 Cl-가 음이온교환수지에 포집될 수 있다. 반대로 염소 (Cl-)와 결합하고 있고, 외부 용액이 OH-가 풍부한 염기성 용액일 경우, Cl-와 OH-가 교환되어 Cl-가 배출될 수 있다. 이러한 이온교환수지의 이온 흡착/탈착 기능은 수처리, 이온 크로마트그래피, 촉매 등 다양한 용도로 활용 가능하다.