미국 텍사스 대학 알링턴 캠퍼스(University of Texas at Arlington) 재료공학부 소속의 연구진은 어두울 때조차 대규모 태양 에너지(solar energy)를 저장할 수 있는 새로운 에너지 전지(energy cell)를 개발했다.

최근에 이룬 혁신은 동력 공급원으로 일광을 즉시 사용하는데 의존하는 가장 일반적인 태양 에너지 시스템에 상당한 개선을 가져왔다. 이러한 시스템은 야간 또는 구름이 낀 조건일 때, 태양 에너지 사용을 방해 받는다.

연구팀은 야간에조차 효율적이고 대규모의 태양 에너지 저장을 가능하게 하는 전체 바나듐 광전기 화학적 흐름 전지(all-vanadium photo-electrochemical flow cell)를 개발했다. 연구팀은 현재 보다 더 큰 시제품을 연구 중이다.

이 연구는 우리가 태양 에너지를 어떻게 저장 및 사용하는지에 대하여 다시 쓸 기회를 주었다고 연구팀을 주도한 재료공학부 소속의 조교수인 Fuqiang Liu는 밝혔다. 재생 에너지는 점점 더 유행하고 있으며, 태양 에너지를 저장하기 위한 능력과 재생 가능한 대안으로 태양 에너지를 사용하는 것은 에너지 부족과 관련된 문제에 대한 지속 가능한 방안을 제공한다. 또 일광으로부터 고갈되지 않는 에너지를 효과적으로 이용할 수 있다.

관련 연구는 미국 화학학회 ACS Catalysis 저널의 최신판에 “전체 바나듐 광전기 화학적 저장 전지에 가역적인 전자 저장: 바나듐 산화환원 반응과 하이브리드 광촉매 사이의 시너지(Reversible Electron Storage in an All-Vanadium Photoelectrochemical Storage Cell: Synergy between Vanadium Redox and Hybrid Photocatalyst)”라는 제목으로 발표됐다.

광전기 화학 전지(PECs; photoelectrochemical cells)를 이용한 엄청난 태양 에너지 전환과 저장 연구는 과거 40년에 걸쳐 수행되어 왔다. 그러나 일광의 간헐적인 특성에도 불구하고 아직까지 일광 에너지를 어떻게 효율적으로 이용하는 것은 도전과제로 남아 있다. 이 논문에서, WO3/TiO2 하이브리드 광전극(hybrid photoelectrode)이 광전기 화학적 태양 에너지 전환과 저장을 수행하는 것을 목표로 하는 전체 바나듐 광전기화학 전지(PEC; photoelectrochemical cell)를 새롭게 개발했다.

제로 저항 전류계(ZRA; zero-resistance ammetry)와 전기화학적 임피던스 분광계(EIS; electrochemical impedance spectroscopy)가 조사와 어두운 조건 하에서 모두 태양 에너지를 전환 및 저장하는 이러한 시스템의 광전기화학적 반응을 연구하기 위하여 배치됐다.

예비 결과는 태양 에너지를 저장 및 방출하는 이러한 접근이 어두운 조건에서조차 실현 가능하다는 것을 입증했다. 또한 이 결과는 수소 텅스텐 브론즈(hydrogen tungsten bronze)가 반도체로부터 광으로 유발된 전자의 저장과 방출에 책임이 있다는 것을 보여 주었다. 또 결과는 전자 저장과 전체 바나듐 전해질 사이의 중요한 시너지가 ⓵ 우수한 가역성, ⓶ 높은 용량의 전자 저장 및 ⓷ 광전류에서 상당한 개선 등을 제공할 가능성이 있다는 것을 암시했다. 새로운 시스템의 관찰된 광전기 화학적 및 전기화학적 임피던스 행동 양식을 보다 더 잘 이해하기 위하여, WO3 전자 저장 메커니즘과 전체 바나듐 PEC에서 광으로 유발된 전하 운반자 경로를 밝히는 모델을 제안했다.

공과대학 학장인 Khosrow Behbehani는 획기적인 연구가 우리가 에너지를 생성하고 소비하는 방법에 긍정적인 영향을 초래할 가능성이 있다고 밝혔다. Liu 박사와 그의 동료 연구진이 보다 더 지속 가능한 미래를 구축하는데 도움을 주고 있으며, 우리가 이용할 수 있는 보다 더 큰 에너지 자원 중 하나인 일광을 이용하고 사용할 수 있는 인간의 능력을 개선하기 위한 혁신적인 단계를 달성했다고 Behbehani는 밝혔다.

이 논문의 주저자인 Dong Liu는 현재 태양 기술의 주요 단점이 어두운 조건 하에서 에너지를 저장하는 데에 따르는 한계에 있다고 밝혔다.

연구진이 태양 에너지와 전지에서 전자를 동시에 가역적으로 저장할 수 있다는 것을 증명했다고 Dong Liu는 밝혔다. 어두운 조건 하에서 저장된 전자의 방출은 태양 에너지 저장을 지속적으로 유지시키고, 따라서 24시간 내내 간헐적인 저장을 가능하게 할 것이라고 Dong Liu는 밝혔다.

이 논문의 또 다른 저자인 Wei는 이 연구가 더 큰 규모에 대하여 훨씬 더 높은 용량에서 태양 에너지를 저장할 수 있게 해준다고 밝혔다. 전체 바나듐 광-전기화학 전지를 사용하는 것은 다른 시스템에 유리한 에너지 저장 방안을 제공한다고 Wei는 밝혔다. 이 전지는 보다 더 작은 단위에 더 높은 에너지 용량을 보유할 수 있게 해준다.

그림1> Dong Liu(왼쪽), Zi Wei(중앙) 및 재료공학부 교수인 Fuqiang Liu

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 8일]