[톡톡뉴스] 국립목포대학교(총장 송하철) 화학과(2024년도부터 에너지화학공학과로 개편) 유충열 교수 연구팀은 흐름전극 전기화학 셀 임피던스 분석법을 통해 차세대 흐름전극 에너지 저장·변환 기술 상용화를 앞당길 수 있게 됐다고 밝혔다.

현재 사용되고 있는 고정전극 전기화학 셀은 집전체 금속위에 전극이 고정되어 있어 충방전 용량에 제한이 있다. 이와 달리, 흐름전극 전기화학 셀은 전극 입자를 전해질에 분산시켜 슬러리 전극으로 만들고 집전체 유로에 흘려보냄으로써 셀 당 에너지 저장·변환 용량을 단위 셀 적층 없이 슬러리 전극의 양에 비례하여 연속적으로 늘릴 수 있는 차세대 에너지저장·변환 기술로 주목받고 있다.

또한, 흐름전극 전기화학 셀은 에너지 저장장치(이차전지) 뿐만 아니라 해수나 오염수내의 이온을 제거하는 수처리 장치로 적용이 가능하다. 따라서 지역적 편재성, 시간적 단속성이 있는 신재생에너지를 전기에너지로 저장한 후, 필요시 전기 형태로 다시 공급하거나 해수내의 이온을 제거하는 담수화 장치로 사용할 수 있기 때문에 다양한 에너지 및 환경 분야에 응용할 수 있는 장점이 있다.

많은 연구자들이 흐름전극 전기화학 셀의 용량 및 내구성 향상을 통한 상용화에 열을 올리고 있다. 하지만, 흐름전극 전기화학 셀의 복잡한 구조 떄문에 상세한 전기화학 성능 분석이 힘들다는 난제를 안고 있었다.

유충열 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 직류기반 분석법을 대체할 수 있는 교류 임피던스 분석법을 적용하였고, 이를 기반으로 차세대 흐름 전극 전기화학 셀 상용화를 위한 소재 및 운전조건을 최적화하는 방법을 도출하였다.

이와 같은 연구 결과는 “Comprehensive Electrochemical Impedance Spectroscopy Study of Flow-Electrode Capacitive Deionization Cells”이라는 제목으로 미국화학회의 화학·환경 분야 세계적 권위의 국제 학술지 ‘Environmental Science & Technology(IF: 11.4, 환경과학 분야 상위 7%, 2023 JCR 기준)’ 6월호에 표지논문으로 게재되었다.

김나현 대학원생(목포대 화학과 석사과정)은 전극 소재 선정, 성능 측정, 흐름전극 전기화학 셀 고도 분석 연구를 학부과정부터 주도적으로 수행하여 주저자로 참여하였고, 박주연 조교(화학과·에너지화학공학과)는 전기화학 셀 분석을 수행하여 공동 저자로 참여하였다. 순천향대학교 에너지공학과 조용현 교수도 임피던스 데이터 고도 분석을 수행하여 공동 교신저자로 참여하였다.

목포대 화학과(에너지화학공학과) 유충열 교수는 “교류 임피던스 분석법을 이용하여 흐름 전극 전기화학 셀의 내부저항, 전하 전달 반응, 이온 흡착 반응을 상세히 구분하고, 이를 바탕으로 실제 작동조건에서 흐름전극 전기화학 셀 분석기술을 확립한 데 의미가 있다.”라고 연구결과의 차별성·우수성을 강조하였다

해당 연구는 한국연구재단의 기초연구사업, 한국산업기술평가원의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구팀은 앞으로 다양한 전극·분리막·전해질 소재 및 셀 최적화 연구를 수행할 예정이다.”고 말했다.