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2024-11-22 (금)

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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.
- IT/바이오
2023-09-07
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.
- 생활경제
2023-09-01