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한국전기연구원(KERI), 차세대 '리튬황배터리' 개발 성공
- 기존 배터리가 전기 저장만을 목적으로 했다면, 미래의 배터리는 단순 저장을 넘어서 부가가치 있는 화학물질 생산 기능을 갖는 하이브리드 배터리로 변화할 것으로 보인다. 한국의 연구팀은 아연과 망간을 활용해 이러한 하이브리드 배터리를 개발했고, 그 결과 기존 배터리에 비해 10% 이상의 향상된 전압과 에너지 효율을 보였다. 과학·기술 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 최근 과학자들은 단순 전기 저장 외에도 유용한 화학물질을 생성하는 하이브리드 배터리 시스템의 개발에 성공했다고 발표했다. 이 하이브리드 배터리는 전기 에너지를 저장하는 동시에 유용한 화학물질도 생성한다. 전통적인 2차 배터리는 전극 재료에 전기 에너지를 저장하는 방식을 사용한다. 반면, 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)는 전극에 연결된 탱크에 보관된 화학물질을 활용한다. 이는 산화와 환원의 화학적 반응을 통해 전자가 전해액을 통해 음극에서 양극으로 이동하며 전기에너지를 발생시키는 원리를 기반으로 한다. 이번에 연구자들이 개발한 하이브리드 배터리는 사용 과정에서 푸르푸랄(나일론 합성에 사용되거나 살충제로 활용되는 액체)을 기반으로 한 니켈 수산화물 배터리이다. 이 배터리는 바이오매스(생물 유기체)에서 추출한 푸르푸랄을 푸르푸릴 알코올이나 푸로산 중 하나로 변환할 수 있다. 푸르푸랄 자체는 농업용 바이오매스에서 흔히 발견되는 오탄당에서 형성되는 작은 분자이며, 다양한 화학 분야에서 중요한 중간체로 사용되는 플랫폼 화학물질로 알려져 있다. 이물질은 푸로산으로 산화될 때 식품 방부제, 약물, 향료 합성의 중간체가 될 수 있으며, 환원될 때는 레진(수지), 향료, 약물의 전구체로서의 역할을 하는 푸르푸릴 알코올로 변환된다. 중국 베이징의 청화대학(Tsinghua University)에서 활동하는 하오홍 두안(Haohong Duan) 박사를 포함한 연구팀은 하이브리드 흐름 배터리를 사용해 두 종류의 부가가치 화학물질을 추출함으로써 배터리 시스템의 비용 효율성을 개선하는 데 성공했다. 기존의 충전식 배터리는 충전 과정에서 전극에 전기를 저장하고, 방전 시에는 해당 전기를 회로로 전달한다. 반면 레독스 흐름 전지라는 다른 타입의 배터리는 특정 화학물질에 전기를 저장하며, 해당 화학물질은 두 상태 사이에서 순환하면서 배터리 내에 계속 보관된다. 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀과 부산대학교의 박민준 교수팀은 아연과 망간을 주요 소재로 사용하여 고성능 '레독스 흐름 전지' 기술을 개발했다. 레독스 흐름 전지는 큰 용량 저장이 가능하며, 배기가스를 발생시키지 않아 화재나 폭발 위험에서 상대적으로 안정적이다. 이러한 특성으로 인해 에너지저장장치(ESS) 용도로서 많은 관심을 받는 차세대 전지로 평가받고 있다. 연구자들은 에너지 저장 및 제공과 동시에 추가 화학물질을 생산하는 능력을 결합하여 이를 조사했고, 그 과정에서 흥미로운 결과를 발견하게 되었다고 한다. 양극용 이중 기능성 금속 촉매의 혁신적인 발전이 관찰되었는데, 로듐(백금족 금속의 일종)과 구리를 단일 원자 합금으로 조합하여 만들어진 촉매가 등장했다. 이 촉매는 배터리가 충전될 때 푸르푸랄(전해액 포함)을 푸르푸릴 알코올로 효과적으로 변환하며, 방전 시에는 푸로산을 생성한다. 또한 연구원들은 음극에서 니켈-아연 또는 니켈-금속 수소화물 배터리에서 사용되는 음극 재료와 유사한 특성을 가진 코발트-도핑 수산화니켈 재료를 확인했다. 이러한 조합을 통해 참신한 이중용 배터리 시스템이 개발되었다. 태양 전지로 충전된 이 배터리는 4개를 직렬로 연결하여 사용되며, LED 조명과 스마트폰 등의 장치를 작동시키면서도 지속적으로 푸르푸릴 알코올과 푸로산을 생성한다. 이 화학물질들은 흐름 시스템을 통해 전달된다. 이 새로운 하이브리드 배터리는 일반 배터리와 비교하여 에너지 밀도와 전력 밀도에서 유사한 성능을 보이면서도, 동시에 전력과 부가가치 있는 화학물질을 생산한다는 점이 새로 확인되었다. 1kWh의 에너지 저장 시, 0.7kg의 푸르푸릴 알코올이 생성되고, 0.5kWh의 전력 공급 시에는 1kg의 푸로산이 생산된다. 단, 푸르푸랄은 지속적으로 시스템에 공급되며, 최종 제품은 전해질에서 분리해야 한다. 이 연구팀이 제시한 하이브리드 방식은 2차 전지의 지속 가능성과 경제성을 높이는 첫걸음이지만, 이를 더욱 발전시키기 위한 지속적인 노력이 필요하다.
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한국전기연구원(KERI), 차세대 '리튬황배터리' 개발 성공
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
- 전기자동차부터 휴대폰, 가전제품까지 다양한 분야에서 활용되는 리튬 이온 배터리. 그러나 이 배터리의 높은 가격과 안정성 문제로 고체 전해질 배터리가 대안으로 급부상하고 있다. 현재 국내에서는 SK온이 주도하는 가운데, 세계적으로도 도요타 등 주요 기업들이 고체 전해질 배터리의 연구와 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 일본 도호쿠 대학의 연구팀은 이 분야의 연구에서 큰 진전을 이루며 주목받고 있다. 일본 에너지 전문 매체 '에너진'에 따르면, 도호쿠 대학 연구원들은 물리 화학분야 국제 저명 학술지인 '재료 화학(Chemistry of Materials)'에 고체 전해질의 구조가 배터리 성능에 어떤 영향을 주는지 예측 가능한 프레임워크를 공개했다. 고체 전해질(Solid Electrolyte)은 전기를 전도하는 역할을 유지하는 물질 중 하나다. 고체 전해질의 주요 특징은 리튬 이온 배터리의 액체 전해질에 비해 화학적 안정성이 탁월하다. 다시 말하면, 고체 전해질은 배터리의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 역할을 하는 전해질을 고체 형태로 만든 것이다. 액체 전해질에 비해 고체 전해질은 화재 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격에도 강한 장점이 있다. 또한, 분리막이 필요 없어 배터리의 구조를 단순화하고, 에너지 밀도를 높일 수 있다. 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계 세 가지 종류로 나눌 수 있다. 황화물계 전해질은 리튬 이온 전도도가 높고, 전극과의 접촉면을 넓게 형성할 수 있는 특징이 있다. 산화물계 전해질은 리튬 이온 전도도는 낮지만, 전기화학적 안정성이 우수하다. 폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질과 유사한 제조 공정과 비용 경쟁력을 가지고 있다. 하오 리(Hao Li) WPI-AIMR의 부교수는 "에너지 저장 장치의 개발은 지속 가능한 미래를 보장하는 데 필수"라며 "클로소형 2차 복합 수소화물(CTCH, 리튬 이온 기술을 대체할 고체 전해질)은 리튬 이온 기술의 안전성 및 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있는 귀중한 대안"이라고 강조했다. 한편, SK온은 단국대 신소재공학과 박희정 교수 연구팀과 공동으로 새로운 고체 전해질 기술을 선보여 관심을 모았다. 이 연구 팀은 산화물계 고체 전해질 소재인 리튬·란타넘·지르코늄·산소(LLZO)의 첨가물질을 추가해 리튬이온전도도를 기존보다 무려 70% 개선한 것으로 알려졌다. 이러한 기술적 진보는 배터리의 화재 위험 감소와 용량 증대 효과가 있을 것으로 예상된다. 국내외 기업들도 전고체 배터리 시장에 본격 진출하고 있다. SK온과 함께 삼성SDI, LG에너지솔루션은 각각 연구와 개발에 나서고 있으며, 일본의 토요타와 중국의 칭다오에너지 역시 전고체 배터리 기술 개발에 힘쓰고 있다. SK온을 비롯해 삼성SDI는 지난 2022년 국내 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했다. LG에너지솔루션은 오는 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2023년 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 연구를 진행 중이다. 일본 도요타는 전고체 배터리 관련 특허만 약 1000여개에 달할 만큼, 전고체 배터리 연구에 전념하고 있다. 중국에서는 칭다오에너지가 지난 2018년 100메가와트시 규모의 전고체 배터리 파일럿 생산 공장을 건설한 바 있다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용한 차세대 배터리로, 꿈의 배터리라고도 불린다. 고체 전해질은 전기차와 에너지 저장 분야의 향후 기술적 파장을 주도할 핵심 기술로 떠오르며, 그 가능성이 무궁무진함을 입증하고 있다.
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
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바나나 섞은 블루베리 스무디, 심장 건강에 안 좋다
- 바나나와 블루베리 등 플라보놀이 풍부한 과일을 섞어 만든 스무디는 심장 건강에 좋다고 생각하는 사람들이 많다. 미국 과학기술 전문매체 매체 사이테크데일리는 미국 연구진이 최근 발표한 연구결과에 따르면, 바나나와 같은 일부 과일은 플라보놀의 흡수를 방해하는 효소를 함유하고 있어, 스무디로 섭취할 경우 오히려 심장 건강에 해로울 수 있다고 전했다. 이 연구는 미국 캘리포니아 데이비스 캠퍼스(UC 데이비스)의 하비에르 오타비아니 부속 연구원이 이끈 팀이 지난 8월 말 로열 소사이어티 오브 케미스트리의 저널 '음식과 기능(Food and Function)'에 게재한 것이다. 이 팀은 바나나와 같은 일부 과일에 들어 있는 폴리페놀 산화효소(Polyphenol oxidase, PPO)가 심장 건강에 좋은 플라보놀(Flavanol)의 흡수를 감소시킬 수 있다고 밝혔다. 특히 베리와 같이 플라보놀이 풍부한 재료와 섞을 때 이러한 영향이 두드러진다고 한다. 연구진은 바나나, 파인애플, 오렌지, 망고, 요거트 등 폴리페놀 산화효소(PPO) 활성이 다른 재료들을 사용해 다양한 스무디를 만들고, 이를 섭취한 후 체내에서 플라보놀의 양을 측정했다. 플라보놀은 심혈관 및 인지 건강에 좋은 생체 활성 물질로, 사과, 배, 블루베리, 블랙베리, 포도 및 코코아 등에 자연적으로 포함되어 있고 스무디 재료로 자주 사용된다. 그러나 바나나와 같은 과일은 PPO 효소를 함유하고 있어, 공기에 노출되거나 절단되거나 찰과상을 입을 때 음식 내의 플라보놀 수준을 감소시킨다. 에를 들어 사과를 절단하거나 바나나 껍질을 벗기면 과일이 빨리 갈색으로 변한다. 이는 해당 음식에 자연적으로 존재하는 폴리페놀 산화효소 때문이다. 연구 참가자들에게는 자연적으로 높은 PPO 활성을 가진 바나나로 만든 스무디와 자연적으로 낮은 PPO 활성을 가진 혼합 베리로 만든 스무디를 마시도록 했다. 참가자들은 또한 플라보놀 캡슐을 별도로 복용했다. 혈액 및 소변 샘플을 분석해 스무디와 캡슐을 복용한 후 체내에 얼마나 많은 플라보놀이 존재하는지를 측정했다. 연구 결과 바나나 스무디를 마신 참가자들의 체내 플라보놀 농도가 대조군과 비교해 84% 낮았다는 것을 발견했다. 오타비아니 부속 연구원은 "바나나를 추가하는 것이 스무디 내 플라보놀 농도와 체내 플라보놀 농도를 얼마나 빠르게 낮출 수 있는지에 대한 결과에 정말 놀랐다"고 말했다. 그는 "이는 음식의 조합이 음식 내 화학물질의 이용에 어떤 영향을 미치는지를 강조한다"고 덧붙였다. 연구진은 플라보놀을 섭취하려는 사람들은 플라보놀이 풍부한 과일인 베리를 파인애플, 오렌지, 망고, 요거트 등의 PPO 활성이 낮은 재료와 함께 섞어 스무디를 만들 것을 권장했다. 단, 바나나 등 높은 PPO 활성 과일 및 채소는 스무디나 음식에 사용하는 경우 베리, 포도, 코코아와 같은 플라보놀이 풍부한 과일과 섞지 않도록 주의해야 한다고 강조했다. 이 연구 결과는 음식이 어떻게 플라보놀에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 미래 연구를 자극할 수 있다. 오타비아니는 하나의 예로써 우리가 자주 마시는 차(tea)는 플라보놀의 중요한 식이원이며 차를 즐기는 방법에 따라 플라보놀의 이용 가능량이 다를 수 있다고 지적했다. 그는 "이는 폴리페놀과 생체 활성 물질의 일반적인 분야에서 더 많은 관심을 받을 만한 영역"이라고 말했다.
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바나나 섞은 블루베리 스무디, 심장 건강에 안 좋다
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美 미시간 주립대, 생분해성 플라스틱 대체재 개발
- 미국 미시간 주립대학교의 연구원들이 퇴비화하기 쉬운 새로운 생분해성 플라스틱 대체재를 개발했다. USA투데이에 따르면 이 대학 포장학부 연구팀은 8월 초 동료 심사를 거친 ACS 출판 저널에 가정과 산업 환경 모두에서 퇴비화가 가능한 바이오 기반 폴리머 블렌드를 개발했다고 게재했다. 이 연구팀은 10년 넘게 포장재에 사용되어 온 폴리락트산(PLA)을 연구했다. PLA는 석유 대신 식물성 당분을 사용하여 물, 이산화탄소, 젖산으로 분해된다. 고온의 산업용 퇴비기에서 분해 가능 하지만 PLA는 고온의 산업용 퇴비기에서만 분해될 수 있으며, 가정용 퇴비기에서는 분해되지 않는 단점이 있다. 산업용 퇴비기에서도 PLA가 단 시간에 완전히 분해되는 것은 아니다. 연구자들은 산업용 퇴비 환경에서 미생물에 의해 PLA가 분해되기 시작하기까지 최대 20일이 걸릴 수 있다고 말했다. 이 과정을 가속화하기 위해 연구팀은 '열가소성 전분'이라고 불리는 것을 PLA에 혼합했다. 이 탄소 기반 전분은 퇴비 속 미생물이 바이오 플라스틱을 더 쉽게 분해하도록 도와준다. 연구원들은 열가소성 전분을 첨가해도 PLA의 강도, 투명도와 같은 품질이 손상되지 않고 유지된다고 말했다. 또한 이 바이오 플라스틱은 음식물 찌꺼기와 함께 퇴비화할 수 있다. 즉, 일회용 용기나 컵에 담긴 음식이나 음료를 따로 버리지 않아도 함께 분해된다. 이 연구는 퇴비화 가능한 바이오 기반 플라스틱 포장이 가능하다는 것을 보여 주지만, 실제로 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 예상된다. 연구팀을 이끈 라파엘 아우라스는 "사실 많은 산업 퇴비화 업체는 여전히 PLA와 같은 바이오 플라스틱을 받아들이는 것을 꺼리고 있다"고 지적했다. 생분해 플라스틱 연구 사례 지난달 워싱턴 대학의 한 연구팀은 '스피룰리나'라고도 알려진 청록색 남조류 세포로 가정용 퇴비통에서 바나나 껍질이 분해되는 것과 같은 시간 안에 분해되는 바이오 플라스틱을 만들었다고 발표했다. 그보다 앞서 2021년 캘리포니아 버클리 대학교는 연구진이 생분해성 플라스틱을 더 빨리 분해할 수 있는 방법을 발명했다고 밝혔다. 연구진은 퇴비화 과정에서 발생하는 열과 물 등의 조건에서 플라스틱이 분해되는 데 도움이 되는 폴리에스테르를 먹는 효소를 바이오 플라스틱 자체에 삽입했다. 그렇지만 이같은 연구 결과가 우리가 쓰레기를 함부로 버려도 괜찮다는 것을 의미하는 것은 아니다. 연구팀은 퇴비화할 수 있는 플라스틱은 어떤 조건에서도 무조건 생분해된다는 것은 일반적인 오해라며 우려했다. 아우라스는 "우리가 생분해성 물질을 개발했기 때문에 사람들이 쓰레기를 함부로 버릴 수 있다고 생각하면 문제가 더 악화될 것"이라고 말했다. 그러면서 아우라스는 "생분해성 바이오 플라스틱은 빨대나 물병과 같은 일회용 플라스틱으로 인한 폐기물을 줄일 수 있다"면서 이번 연구가 플라스틱 폐기물을 줄이기 위한 전 세계적인 노력에 기여할 수 있기를 희망한다고 말했다.
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美 미시간 주립대, 생분해성 플라스틱 대체재 개발
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