혁신적인 유기물질 플루 배터리 ?

 현대 사회에서 배터리, 특히 2차 전지 (충방전을 해서 반복 사용하는 배터리) 의 중요성은 이루 말할 수 없이 큽니다. 작고 효율적이며 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 이온/ 리튬 이온 폴리머 배터리가 아니라면 현재의 모바일 혁명도 불가능했을 것 입니다. 그러나 스마트폰이나 노트북만이 2 차 전지의 주된 목표라고 할 수는 없습니다.  

 사실 값싸고 대량의 전기에너지를 저장할 수 있는 배터리가 존재한다면 사실상 새로운 산업 혁명에 버금갈 혁신을 몰고 올수 있습니다. 예를 들어 전기 자동차에 들어갈수 있는 저렴하고 수명이 긴 대용량 배터리가 개발될 수 있다면 이는 자동차 산업에 큰 영향을 미치게 될 것입니다. 그러나 이 이상으로 저렴한 배터리에 대한 잠재 수요가 신재생 에너지에 있습니다.  

 신재생 에너지로 각광을 받는 태양 에너지나 (태양전지나 태양열 모두 포함) 풍력은 24 시간 일정하게 에너지를 얻을 수 없다는 큰 단점이 존재합니다. 따라서 항상 백업 용도의 발전소가 존재해야 하는데 이는 단가 상승으로 이어지며 결국은 대개 백업 발전을 화석연료를 이용하는 화력 발전소에 의존해야 한다는 문제가 발생합니다.  

 최근 하버드 대학의 마이클 아지즈 교수 (Michael J. Aziz, Gene and Tracy Sykes Professor of Materials and Energy Technologies at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ) 와 그의 동료들은 금속 성분을 사용하지 않고 퀴논 (quinones) 이라는 유기물질을 이용한 2 차 전지를 선보였습니다.  

 퀴논은 하나의 분자가 아니라 그룹을 의미하는 단어로 방향족탄화수소 속에 있는 벤진핵 수소원자 2개를 산소원자 2개로 치환한 구조인 다이카보닐화합물의 총칭이라고 할 수 있습니다. 여기에 속하는 유기 화학물은 미토콘드리아와 식물에 흔하게 존재하며 따라서 리튬 처럼 구하기 힘들지 않고 쉽게 정제해서 얻을 수 있는 장점이 있습니다.  

 연구팀이 사용한 것은 9,10-anthraquinone-2,7-disulphonic acid (AQDS) 라는 분자로 이를 이용해서 금속 성분을 사용하지 않는 플루 배터리 (metal-free flow battery) 를 제작했다고 합니다. 이전에도 액체 상태의 금속 전해질을 사용하는 플루 배터리는 존재했지만 바나듐 같이 고가의 금속을 사용했기 때문에 저렴한 대용량 배터리를 만드는데 한계가 있었습니다. 그러나 AQDS 기반 플루 배터리는 대용량의 저렴한 2차 전지 개발의 가능성을 시사하고 있습니다.  

(연구팀이 개발한 비금속 플루 배터리   A prototype flow battery in Aziz's lab at Harvard School of Engineering and Applied Sciences. (Credit: Photo by Eliza Grinnell, Harvard SEAS))  

 만약 1 MW 용량의 풍력 발전기의 경우 바람이 불지 않을 때를 대비해서 50 시간 정도의 예비전력을 저장한다고 가정할 때 50 MWh 의 배터리가 필요합니다. 현재의 리튬 전지등으로 이를 감당하려 한다면 도저히 비용이 감당하기 힘들고 리튬 자체가 흔한 자원도 아니기 때문에 사실 가능하지 않습니다. 또 화재 및 폭발의 위험도 감수해야 합니다.  

 반면 퀴논 기반의 플루 배터리는 단지 배터리의 용량을 늘리기 위해서 액체 탱크의 크기를 늘리기만 하면 됩니다. 즉 50 MWh 든 100 MWh 든 1MW 의 전력만 생산하면 된다면 전극등 나머지 부분은 남겨두고 그냥 탱크에다가 용액만 더 담으면 된다는 것이죠. 물에 녹은 퀴논 전해질은 가연성이 없기 때문에 더 안전합니다. 물론 퀴논 화합물은 리튬과는 달리 아주 쉽게 구할 수 있다는 장점도 있습니다.  

 다만 실제적으로 이런 비금속 플루 배터리가 경제성이 있는지는 좀더 연구가 필요한 부분이라고 하겠습니다. 일단 부피와 무게가 꽤 나가는 만큼 자동차에 2 차 전지등으로 사용하기는 힘들고 대규모 백업 전력이 필요한 장소에 안성 맞춤 같아 보입니다. 다만 사례로 든 신재생 에너지의 경우 발전 단가가 높은 점을 감안하면 더 단가를 높이는 2 차 배터리의 존재가 과연 널리 사용될 수 있을지는 역시 두고봐야 알 수 있을 것 같습니다.  

 이 연구는 Nature 에 실렸습니다.

 참고  

Journal Reference:

1. Brian Huskinson, Michael P. Marshak, Changwon Suh, Suleyman Er, Michael R. Gerhardt, Cooper J. Galvin, Xudong Chen, Alan Aspuru-Guzik, Roy G. Gordon, Michael J. Aziz. A metal-free organic–inorganic aqueous flow battery. Nature, 2014; 505 (7482): 195 DOI: 10.1038/nature12909

http://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140108154238.htm