[투데이에너지 이상석 기자] 중국 과학기술대학교 연구팀이 수소 가스를 음극으로 활용하는 혁신적인 화학전지 시스템을 개발했다.
연구팀은 기존 수소 기반 배터리의 한계로 지적돼 온, H₂를 양극으로 사용해 전압 범위를 0.8~1.4V로 제한하고 전체 에너지 저장 용량을 제한하는 문제를 극복하기 위해 수소를 음극으로 사용하는 새로운 접근법을 제안해 에너지 밀도와 작동 전압을 크게 향상시켰다.
연구진은 리튬 금속 음극, 수소 음극 역할을 하는 백금 코팅된 가스 확산층, 고체 전해질(Li₁.₃Al₀.₃Ti₁.₇(PO₄)₃ 또는 LATP)을 포함하는 Li-H 전지 시스템의 시제품을 설계했다. 이 구성은 효율적인 리튬 이온 수송을 가능하게 하면서 각 인자간의 불필요한 화학반응을 최소화한다.
실험 결과 Li-H 전지는 약 3V의 안정적인 전압을 유지하면서 2.825kWh/kg의 이론적 에너지 밀도를 보여줬다. 또한 99.7%의 탁월한 왕복 효율(RTE)을 달성해 충전과 방전 과정에서의 에너지 손실을 최소화했음을 입증했다.
연구팀은 더 나아가 비용 효율성, 안전성, 제조 과정 상의 일관성을 제고하기 위해 사전 설치된 리튬 금속이 필요 없는 무음극 Li-H 전지를 개발했는데 이 방식은 충전 중 전해질의 리튬염(LiH2PO4 & LiOH)에서 리튬을 증착시키는 방식을 사용한다.
이 모델은 표준 Li-H 전지의 장점을 유지하면서 추가적인 이점을 제공해 98.5%의 쿨롱 효율(CE)로 효과적인 리튬 도금 및 박리를 가능케 하며, 낮은 수소 농도에서도 안정적으로 작동해 고압 H₂ 저장에 대한 의존도를 경감시킨다.
이 혁신적인 Li-H 배터리 기술은 재생 에너지 그리드, 전기 자동차, 우주 항공 기술 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 새로운 에너지 저장 솔루션의 가능성을 보여줬다. 기존의 니켈-수소전지에 비해 향상된 에너지 밀도와 효율성을 제공해 차세대 전력 저장 기술 분야의 게임체인저로 주목받기 시작했다는 평가다.
■ 용어 설명
· 왕복효율(Round Trip Efficiency, RTE)= 배터리의 충전 및 방전 과정에서 에너지 변환 효율을 나타내는 중요한 지표로서 배터리에 입력된 에너지(Ein)와 배터리에서 출력된 에너지(Eout)의 비율로 계산되며 에너지 손실 측정, 배터리 성능 평가 및 설계, 관리 등에 사용된다.