가천대 김용일 교수 국제공동연구, 해수전지 기반 ‘에너지·담수화·탄소 포집’ 통합 플랫폼 제시

가천대 김용일 교수 참여 국제공동연구진.[가천대 제공]

[헤럴드경제(수원)=박정규 기자]가천대(총장 이길여) 화공생명배터리공학부 김용일 교수가 참여한 국제공동연구에서 해수를 활용해 에너지 저장과 담수화, 탄소 포집을 동시에 수행할 수 있는 차세대 전기화학 플랫폼이 제시됐다.

이번 연구는 김용일 교수를 비롯해 미국 오하이오주립대 김도완 박사후연구원, 독일 ZSW 알레산드로 이노첸티(Alessandro Innocenti) 박사, 이탈리아 University of Perugia 린다 바렐리(Linda Barelli) 교수, UNIST 김영식 교수, 독일 KIT 스테파노 파세리니(Stefano Passerini) 교수 등 국내외 연구진이 공동으로 수행했으며, 오스트리아 AIT 등 다수 기관이 참여해 해수전지의 작동 원리와 응용 가능성을 종합적으로 분석했다.

연구 성과는 청정기술 분야 국제 학술지 ‘Nature Reviews Clean Technology’에 ‘Seawater batteries for energy storage, desalination and carbon sequestration’ 제목의 Perspective 논문으로 지난달 24일 게재됐다. 이 논문은 김용일 교수가 제1저자로 참여했으며, 독일 KIT 스테파노 파세리니 교수가 교신저자를 맡았다.

논문은 해수전지(Seawater Battery, SWB)를 단순한 에너지 저장 장치가 아닌 ‘다기능 통합 시스템’으로 정리했다. 해수전지는 해수 속 나트륨 이온을 선택적으로 이동시켜 충전 시 전기에너지를 저장한다. 이 과정에서 염분이 제거돼 담수 생산이 가능하다. 방전 시에는 수산화물이 생성되고, 이 물질이 이산화탄소와 반응해 탄산염 형태로 고정되면서 탄소 포집 효과를 낸다.

연구팀은 해수전지가 충전 과정에서 담수화와 염소 회수를, 방전 과정에서는 에너지 회수와 수산화물 생성 및 탄소 포집을 동시에 수행할 수 있다고 설명했다. 또한 나트륨·염소 이온 분리, 수산화나트륨 생성, 해수 내 마그네슘·칼슘과의 반응을 통한 탄산염 형성 등 다양한 반응 메커니즘을 체계적으로 제시했다.

특히 해수전지는 기존 리튬이온전지와 달리 해수를 직접 자원으로 활용하는 구조를 갖는다. 개방형 양극 구조와 NASICON 고체전해질(나트륨 이온 전도 소재)을 기반으로 해양 환경과 연계한 에너지·수처리 시스템으로 확장 가능성이 크다는 점에서 차세대 지속가능 기술로 주목된다.

연구팀은 핵심 소재인 NASICON 고체전해질과 양극 촉매, 나트륨 저장 음극 설계, 셀 및 모듈 단위 확장 기술 등 현재 연구 수준도 함께 분석했다. 이를 통해 해수전지가 실험실 단계를 넘어 실제 시스템으로 발전할 수 있는 가능성을 제시했다. 동시에 장기 내구성, 계면 안정성, 반응 속도 제어, 해수 환경에서의 오염(바이오파울링) 및 밀봉 문제 등 상용화를 위한 과제도 함께 짚었다.

이번 연구는 해수전지를 ‘에너지 저장 장치’를 넘어 ‘에너지·물·탄소 문제를 동시에 해결할 수 있는 융합 기술 플랫폼’으로 확장해 제시했다는 점에서 의미가 크다. 재생에너지 연계형 저장 시스템, 해수 기반 자원 회수, 탄소중립형 수처리 기술 등으로의 활용 가능성도 제시됐다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구(씨앗연구) 지원을 받아 수행됐으며, 이탈리아 Ministry of Economic Development(MISE), 독일 Helmholtz Association의 지원도 함께 받았다.