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화석연료 의존도를 낮추기 위한 배....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-05-09 11:42
조회 456
    2050년까지 전세계 인구는 100억 명에 달할 것이며, 이들이 필요로 하는 에너지는 현재 수요의 두 배가 될 것이라 예상된다. 이와 관련하여 미 코넬대학(Cornell University)의 Héctor D. Abruña 교수는 지난 4월 26일 실시된 특강을 통해 인류는 이러한 에너지 수요 증가에 대해 아직 준비를 하지 못하였다고 밝혔다. 이와 관련하여 Abruña 교수와 연구진은 에너지 문제를 해결할 수 있는 방안에 대해 연구하고 있다. 이들이 개발하고 있는 연료전지(Fuel Cell)와 배터리 기술이 실현된다면 자동차, 전자제품 및 다양한 산업계의 효율적인 전기 전달에 기여할 것으로 기대된다.

    Abruña 교수는 현재 생산되는 에너지의 57%가 그대로 낭비되고 있다는 점을 고려할 때 에너지와 관련된 도전 범위는 광대하다고 설명하였다. 현재 경제성이 확보된 태양광발전(Photovoltaic) 설비의 경우 효율은 약 12%이며, 자동차의 연료효율은 약 20%가 일반적이다. 그리고 미국에서 사용되는 모든 전기 사용의 22%는 조명이 차지하고 있으나 백열전구의 전체 효율은 약 2% 수준인 것으로 나타났다. 그렇지만 화학에너지를 직접 전기로 변환할 수 있는 연료전지는 효율이 최대 90%까지 가능하다.

    Abruña 교수는 "우리가 에너지 문제를 해결하기 위해서는 지금보다 더 우수한 에너지 변환 및 저장 방안이 필요하다"고 말했다. 이는 연료전지와 배터리를 위해 경제성이 확보된 설계 및 우수한 성능이 필요하다는 것을 의미한다. Abruña 교수는 연료전지가 막전극집합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 촉매로 구성되어 있다고 밝혔다. 여기서 촉매는 연료전지의 전체 비용 중 가장 값비싼 부분이며, 주로 백금이나 다른 귀금속이 사용되고 있다.

    대부분의 연료전지는 산성 매체에서 작동되기 때문에 고비용의 금속을 필요로 한다. Abruña 교수는 "연구진의 목표 중 하나는 이러한 산성 환경을 벗어나 값비싼 금속의 필요성을 줄인 알칼리 환경으로 전환하는 것"이라고 설명하였다. Abruña와 연구진은 형광을 이용하여 어떤 촉매가 가장 높은 활성도를 보여주는지를 알 수 있는 방안을 개발하였다. Abruña 교수는 이러한 기술을 통해 적절한 촉매를 발견하는 일을 가속화시킬 수 있었다고 밝혔다.

    Abruña 교수는 “많은 배터리들이 사용되는 소재의 열역학적 제약 범위를 넘어 작동되고 있기 때문에 더 우수한 배터리 설계는 어려운 일이다. 그렇지만 꼭 필요한 일이기도 하다”고 말한다. 그는 "여기서 문제는 안정성이나 배터리의 수명과 타협하지 않고 에너지 및 전력 밀도(Energy and Power Density)를 개선하는 일"이라고 설명하였다.

    Abruña 교수는 리튬-황 배터리(Lithium-sulfur Battery)가 이러한 역할을 할 것으로 보고 있다. 그는 "리튬-황 배터리는 엄청난 가능성을 가지고 있다. 리튬-공기(Lithium-air) 배터리와 같은 다른 유명한 설계와 다르게 이들은 실현가능하다는 장점이 있다. 황은 대량의 에너지를 다룰 수 있으며, 가격 면에서 큰 장점이 있다"고 설명하였다. 그러나 배터리 구성요소의 일부가 용해될 수 있기 때문에 시간이 지나면 용량이 저하되고 최적 상태를 유지할 수 없다는 단점이 있기도 하다.

    Abruña 교수의 연구진은 이러한 단점을 극복할 수 있는 가능성을 확인하였다. 이들은 나노규모의 황 구체(Sulfur Spheres)를 제조하였으며, 이들을 폴리아닐린(polyaniline) 층으로 코팅하여 내부의 황이 유지될 수 있게 하였다. 연구진은 마치 계란처럼 황의 일부를 제거하여 공간을 확보하였으며, 이를 통해 충분한 황이 유지되어 배터리 수명을 유지하는 동시에 부피 확장이 발생했을 때 손상없이 이를 수용할 수 있게 하였다. Abruña 교수는 "단순히 종이와 플라스틱을 분리한다고 해서 에너지 문제를 해결할 수 있는 것은 아니다. 화석연료(Fossil Fuel)에 대한 의존도를 낮추고 재생가능 에너지에 대한 의존도는 높이는 과정이 필요하며, 이는 전적으로 사회를 구성하고 있는 우리에게 달려있다"고 밝혔다.

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