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《신기술 2》 체온만으로 이차전지 충전할 수 있는 방법 개발
2023-08-13

체온만으로 이차전지 충전할 수 있는 방법 개발
차세대 웨어러블 이차전지 개발 성큼
태양광, 풍력 등 친환경 에너지원은 아직 화석연료로 생산하는 에너지 전체를 대체하지 못한다. 생산된 에너지를 효율적으로 사용하는 것도 화석연료의 사용량을 줄이는 효과적인 방법이다. 그중 저등급의 열에너지는 100 ℃ 이하의 열에너지로, 버려지는 열에너지 전체의 약 60 % 이상을 차지한다. 하지만 온도가 낮으므로 기존에 존재하는 열에너지 수확 시스템으로는 해당 에너지는 효과적으로 사용되지 못한다. 그런데 100 ℃ 이하의 적은 온도 차이로 발생하는 열에너지만으로 이차전지를 충전할 수 있는 시스템 또한 개발됐다. 외부 온도 변화로 발생된 열에너지를 이차전지 내부의 전기화학 에너지로 변환시킨다. 차세대 웨어러블 이차전지 개발에 한발 다가설 수 있을 것으로 기대된다.

정리 편집부
자료 UNIST
사진출처 한국산업기술시험원
실내조명으로 충전된 전지를 이용해 센서를 작동시키고 온도를 감지하는 연구 개념도(사진_울산과학기술원)

TREC(Thermally regenerative electrochemical cycle, 열전 이차전지1)은 현재 널리 사용되고 이차전지와 동일한 구조를 가진 에너지 변환 시스템이다. 온도에 따라 변하는 전압의 크기를 활용해 서로 다른 온도계수를 가진 전극 소재로 이차전지를 구성한다. TREC을 활용하면 체온이나 낮과 밤 온도 차이로도 소량의 에너지를 충전할 수 있다.

물 분자 수에 따라 에너지 변환 효율 달라져
적은 온도 차이로 충전하는 이차전지 시스템을 개발했다. 온도 차이로 발생하는 열에너지를 이차전지에 활용할 수 있는 방법이 개발됐다. UNIST 에너지화학공학과 이현욱, 서동화 교수팀은 싱가폴 난양공대 이석우 교수팀과 함께 TREC 시스템의 에너지 변환 효율을 높이는 핵심 인자를 밝혀냈다. 100℃ 이하의 적은 온도 차이로 발생하는 열에너지만으로 이차전지를 충전할 수 있는 시스템 또한 개발했다.

연구팀은 다양한 방식으로 TREC을 활용하고자 에너지 변환 효율 향상법을 연구했다. 양극 소재 내부의 물질 구조가 어떤 영향을 미치는지 분석하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 결과를 확인했다. 동일한 성분의 전해질을 가진 TREC 시스템 중 가장 효율이 높은 시스템을 디자인해 다양한 온도 조건에서 성공적으로 구동됨을 확인했다.

소재가 갖는 물 분자 수가 적을수록 양극 소재 구조의 대칭성이 증가해 물 분자 근처의 전이 금속과 리간드2)의 결합이 강화되는 것을 확인했다. 이러한 구조적 변화는 큰 진동에너지를 가진 A1g3) 진동모드를 활성화하고 이에 따라 구조 진동 엔트로피4)가 커지게 되는 것을 밝혔다. 엔트로피 변화는 온도계수의 크기와 밀접한 관계가 있으므로 결과적으로 TREC 시스템의 효율을 향상할 수 있었다.

제 1저자 최아름 에너지화학공학과 연구원은 “본 연구를 통해 TREC에 사용되는 소재 자체의 특성이 TREC의 에너지 전환 효율에 큰 영향을 준다는 것을 밝혀냈다”며 “앞으로 TREC 연구가 나아갈 새로운 방향을 제시하는 의미가 있는 연구이다”고 설명했다. 또한 이현욱 에너지화학공학과 교수는 “사물인터넷의 발전으로 웨어러블 이차전지 개발이 이슈가 되고 있는데, 이 웨어러블 전지의 경우 일반 도선으로 충전하는데 한계가 있다”며 “인체 부착형 전지의 개발을 위해 TREC 시스템 같은 새로운 충전 방법이 발견되고, 새로운 응용처에 맞는 적합한 차세대전지의 개발 및 연구가 더욱 진행될 필요가 있다”고 전했다.

이번 연구는 울산과학기술원 미래 선도형 특성화 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 7월 3일 자로 온라인 게재됐다.1)

연구자와의 Q&A
연구 동기와 배경 
제백 효과를 이용하는 대표적인 열에너지 수확 시스템인 열전소자의 경우에는 150 ℃ 이하에서는 그 효율이 급격히 감소하며, 열갈바닉 시스템 또한 사용된 전해질의 이온전도도와 전극 사이의 간격에 따라 효율이 크게 차이 나는 단점이 있다. 즉, 현재 연구되고 있는 열에너지 수확 시스템으로는 저등급의 열에너지를 활용하기에는 명백한 한계가 있으므로, 저등급의 열에너지를 사용할 수 있는 에너지로 변환시켜줄 수 있는 고효율의 시스템 디자인이 필요하다. 또한 저등급의 열에너지는 산업 분야보다는 휴대전화, 노트북과 같은 소형기기나 개인용 모빌리티 등에서 쉽게 생성되고 버려지기 때문에 다양한 곳에 적용할 수 있는 디자인으로 응용될 수 있어야 한다.

선행연구와의 차별성 
저 등급의 열에너지를 수확하는 시스템 중 최근에 Thermally regenerative electrochemical cycle (TREC)이 주목받고 있다. TREC는 이차전지 시스템 중 하나로 기존 이차전지의 기능에 저 등급의 열에너지 수확 기능을 추가한 하이브리드 시스템이다. 다른 열에너지 수확 시스템과는 다르게 이차전지가 적용되는 곳에는 모두 적용될 수 있다는 장점이 있고, 저 등급의 열에너지를 수확할 때 보이는 효율이 다른 시스템보다 매우 높아서 연구의 중요도가 높아지고 있다. 하지만 TREC의 에너지 변환 효율을 높이기 위한 연구가 아직 진행되지 않았고, 이에 관한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 TREC에 쓰이는 양극 소재 내부의 물 분자양에 따라 양극 소재의 구조 진동 엔트로피가 변화하는 것을 밝혀내었다. 엔트로피의 변화가 TREC의 에너지 변환 효율과 직접적인 연관이 있어서 이러한 분석을 바탕으로 소듐 이온 수계전해질을 기반으로 한 TREC 중 가장 높은 효율을 가진 양극 소재를 디자인하여 TREC에 적용하였다.

기대효과 
본 연구는 Thermally regenerative electrochemical cycle (TREC)의 효율을 향상할 방법을 제시하며 앞으로 고효율의 TREC 연구에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 이를 기반으로 TREC의 상용화를 시키는 데 큰 역할을 할 것이다. 또한 다양한 물리적, 화학적 분석을 통해 물 분자양에 따른 양극 소재의 특징을 제시하며 이를 시뮬레이션을 통해 증명하여 유사한 분야인 이차전지 분야에도 학문적으로 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
1) 논문명: <Enhancing efficiency of low-grade heat harvesting by structural vibration entropy in thermally regenerative electrochemical cycles>

용어설명
열전 이차전지(Thermally regenerative electrochemical cycle, TREC) : 이차전지에 열전소자가 가지고 있는 특징을 혼합한 하이브리드 시스템의 일종이다. 열전소자가 온도의 변화에 따라 전류를 생성하는 소자인 것처럼 이차전지의 양극과 음극 물질 설정을 잘 구성하면 온도의 변화에 따라 전류를 생성하여 소량의 자가충전이 가능하게 하는 방식이다.
리간드(ligand) : 중심 전이 금속이온과 결합하고 있는 분자나 이온으로, 화합물을 구성하고 있는 요소 중 하나이다.
A1g 진동모드 : 물질이 진동하는 여러 방향 중 하나로 A1g 진동모드의 경우에는 x, y, z 축에 위치한 리간드가 중심 전이 금속이온으로부터 멀어지는 방향으로 진동하게 된다.
구조 진동 엔트로피 : 물질의 구조에 따라 생기는 고유 진동에 의해 물질이 가지는 에너지로 외부 요인에 의해 구조 진동이 강해지면 구조 진동 엔트로피는 더 크게 변화하게 된다.

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