[미국] 전 세계 최초의 태양 흐름 배터리 디자인


미국 오하이오 주립대학(Ohio State University) 소속의 연구진은 혁신적인 최초의 태양 공기 배터리(solar air battery)를 개발하여 발표했다.

미국 화학학회(ACS; American Chemical Society) 저널에 발표된 논문에서, 연구진은 특허 출원 중인 새로운 디자인이 전통적인 리튬-요오드 배터리보다 20%에 이르는 에너지 절감을 달성할 수 있다고 보고했다. 이 디자인은 태양 전지와 배터리를 단일 장치로 결합하는 것이다. 관련 논문의 제목은 “태양 에너지의 전환과 저장을 동시에 수행하는 수용성 리튬-요오드 태양 흐름 배터리(Aqueous Lithium–Iodine Solar Flow Battery for the Simultaneous Conversion and Storage of Solar Energy)”이다.

광전 전환(photoelectric-conversion)과 에너지 저장 기능(energy-storage function)을 하나의 장치로 통합하는 것은 보다 더 효율적인 태양 에너지 사용을 가능하게 한다. 이 연구에서 연구진은 태양 에너지 전환과 저장을 동시에 수행하기 위하여 I3–/I– 기반 음극액(catholyte)을 결합시켜 Li–I 산화 환원 흐름 배터리에 염료 감응 TiO2 광전극을 고정시켜 통합함으로써, 수용성 리튬-요오드(aqueous lithium–iodine, Li–I) 태양 흐름 배터리(SFB; solar flow battery)의 개념을 논증했다.

광-지원 충전 공정 동안, I– 이온은 I3–로 광전기화학적으로 환원되어, 태양 에너지가 수확되고, 수확된 태양 에너지는 화학적 에너지로 저장된다. Li–I SFB는 1 sun AM 1.5 illumination 조건에서 3.30 V의 방전 전압보다 더 낮은 2.90 V 전압에서 충전될 수 있다. 충전 전압 감소(charging voltage reduction)는 상용 Li–I 배터리와 비교했을 때 20% 가까운 에너지 절감으로 해석된다. 또 이러한 개념은 다른 금속-산화 환원 흐름 배터리 시스템에 확대될 수 있는 디자인에 지침을 제공하는데 기여할 수 있다.

20%는 배터리의 상층에 있는 독특한 태양 전지판(solar panel)에 의해 포획되는 일광으로부터 유래한다고 오하이오 주립대학 화학 및 생화학과 교수인 Yiying Wu는 설명했다. 태양 전지판은 이전의 디자인인 메시 형태 대신 고체 시트(solid sheet)이다. 또 다른 중요한 차이는 배터리 내부에 있는 물 기반의 전해질(water-based electrolyte)의 사용이다.

물이 배터리 내부에서 순환하기 때문에, 새로운 디자인은 수용성 흐름 배터리(aqueous flow battery)라고 불리는 새롭게 출현하는 배터리 군에 해당한다. 여기서 정말로 중요한 혁신은 연구진이 태양 배터리 내부에서 수용성 흐름을 성공적으로 증명했다는 점이라고 Wu는 밝혔다.

엄밀한 의미에서, 태양 역량을 가지는 최초의 수용성 흐름 배터리이다. 연구진은 이 디자인을 최초의 수용성 태양 흐름 배터리(aqueous solar flow battery)라고 명명했다.

또 이것은 현재 배터리 기술과 호환될 수 있으며, 기존 기술에 통합하기 매우 용이하고, 환경 친화적일 뿐 아니라 유지 관리가 쉽다고 그는 덧붙였다. 수용성 흐름 배터리가 미래에 이용할 수 있는 전력망 수준의 에너지 저장을 이론적으로 제공할 수 있기 때문에, 전 세계 과학자들은 수용성 흐름 배터리를 개발하는데 주력하고 있다. 따라서 태양 흐름 배터리는 현재의 에너지 그리드와 재생 에너지 자원 사이의 격차에 가교역할을 할 수 있다.

이러한 태양 흐름 배터리 디자인은 미래 전기 자동차에 동력을 제공하기 위하여 사용될 수 있는 전해질 연료를 제조할 뿐 아니라, 그리드 규모의 태양 에너지 전환 및 저장에 적용될 수 있는 가능성이 있다고 오하이오 대학 박사 과정 학생이며, 이 논문의 주저자인 Mingzhe Yu는 밝혔다.

이전에, Yu는 티타늄 메시로 태양 전지판을 고안했으며, 따라서 공기는 배터리를 통과할 수 있었다. 그러나 새로운 수용성 흐름 배터리는 기능으로 공기를 필요로 하지 않으며, 태양 전지판은 현재 고체 시트이다.

연구진이 일광을 포획하여 전자로 전환하기 위하여 일광의 파장을 조절하기 위하여 붉은색 염료를 사용하기 때문에, 태양 전지판은 염료 감응 태양 전지라고 불린다. 이러한 전자는 이후 태양 배터리의 리튬-양극 부분에서 저장되는 전압을 보충한다.

그러나 태양 전지에서 배터리로 전자를 수송하기 위하여 어떤 공정이 필요하고, 이것은 전해질이 담당한다. 액체 전해질은 전형적으로 부분적으로 염, 용매이다. 이전에 연구진은 유기 용매인 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide)와 염인 과염소산 리튬(lithium perchlorate)을 혼합하여 사용했다. 현재 연구진은 염으로 요오드화 리튬(lithium iodide)을 사용하고 용매로 물을 사용한다. 물은 무기 용매로 환경 친화적인 용매이다. 그리고 요오드화 리튬은 낮은 비용으로 고에너지 저장 용량을 제공한다.

차이는 태양 흐름 배터리가 더 적은 충전으로 동일한 출력을 생산할 수 있다는 것이다. 전형적인 배터리는 3.3V 방전하기 위하여 3.6 V까지 충전되어야만 한다. 태양 전지판이 부족한 부분을 채우기 때문에, 태양 흐름 배터리는 단 2.9V에서 충전됐다. 이러한 공정 때문에, 약 20%의 에너지 절감을 달성할 수 있다.

프로젝트는 아직까지 진행 중이며, 태양 흐름 디자인은 보다 더 효율적인 배터리를 만들 수 있을 것이라고 연구진은 믿고 있다. 연구진은 이러한 기술이 연구 단체에 실용적인 재생 에너지 방안으로 추가적으로 개발하는 동인을 제공하기를 바라고 있다. 연구진의 궁극적인 목표는 현재 20%의 배터리에 대한 태양 전지의 기여를 100%로 끌어 올리는 데 있다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 6일]

 

 

After debuting the world's first solar air battery last fall, researchers at The Ohio State University have now reached a new milestone.

In the Journal of the American Chemical Society ("Aqueous Lithium–Iodine Solar Flow Battery for the Simultaneous Conversion and Storage of Solar Energy"), they report that their patent-pending design--which combines a solar cell and a battery into a single device--now achieves a 20 percent energy savings over traditional lithium-iodine batteries.

The 20 percent comes from sunlight, which is captured by a unique solar panel on top of the battery, explained Yiying Wu, professor of chemistry and biochemistry at Ohio State.

The solar panel is now a solid sheet, rather than a mesh as in the previous design. Another key difference comes from the use of a water-based electrolyte inside the battery.

Because water circulates inside it, the new design belongs to an emerging class of batteries called aqueous flow batteries. "The truly important innovation here is that we've successfully demonstrated aqueous flow inside our solar battery," Wu said. As such, it is the first aqueous flow battery with solar capability. Or, as Wu and his team have dubbed it, the first "aqueous solar flow battery."

"It's also totally compatible with current battery technology, very easy to integrate with existing technology, environmentally friendly and easy to maintain," he added. Researchers around the world are working to develop aqueous flow batteries because they could theoretically provide affordable power grid-level energy storage someday.

The solar flow battery could thus bridge a gap between today's energy grid and sources of renewable energy. "This solar flow battery design can potentially be applied for grid-scale solar energy conversion and storage, as well as producing 'electrolyte fuels' that might be used to power future electric vehicles," said Mingzhe Yu, lead author of the paper and a doctoral student at Ohio State.

Previously, Yu designed the solar panel out of titanium mesh, so that air could pass through to the battery. But the new aqueous flow battery doesn't need air to function, so the solar panel is now a solid sheet.

The solar panel is called a dye-sensitized solar cell, because the researchers use a red dye to tune the wavelength of light it captures and converts to electrons. Those electrons then supplement the voltage stored in the lithium-anode portion of the solar battery.

Something has to carry electrons from the solar cell into the battery, however, and that's where the electrolyte comes in. A liquid electrolyte is typically part salt, part solvent; previously, the researchers used the salt lithium perchlorate mixed with the organic solvent dimethyl sulfoxide. Now they are using lithium iodide as the salt, and water as the solvent. (Water is an inorganic solvent, and an eco-friendly one. And lithium iodide offers a high-energy storage capacity with low cost.)

In tests, the researchers compared the solar flow battery's performance to that of a typical lithium-iodine battery. They charged and discharged the batteries 25 times. Each time, both batteries discharged around 3.3 volts.

The difference was that the solar flow battery could produce the same output with less charging. The typical battery had to be charged to 3.6 volts to discharge 3.3 volts. The solar flow battery was charged to only 2.9 volts, because the solar panel made up the difference. That's an energy savings of nearly 20 percent.

The project is still ongoing, and the solar flow design will undoubtedly evolve again as the researchers try to make the battery more efficient.

Doctoral student and study co-author Billy McCulloch said that there are many different directions the research could take. "We hope to motivate the research community to further develop this technology into a practical renewable energy solution," he added.

The team's ultimate goal is to boost the solar cell's contribution to the battery past its current 20 percent--maybe even to 100 percent. "That's our next step," Wu said, "to really achieve a fully solar-chargeable battery."

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40933.php]