UNIST와 난양기술대학교 연구진이 저등급 열을 사용 가능한 에너지로 변환하는 새로운 방법을 제공하는 열재생 전기화학사이클(TREC) 시스템을 개발했습니다. 특히 물 분자에서 구조적 진동 모드의 역할을 이해함으로써 강화된 이 시스템은 작은 온도 차이에서 에너지 변환을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여줍니다. TREC 시스템의 이러한 발전은 웨어러블 기술과 2차 배터리에서 저등급 열의 사용에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
연구진이 개발한 획기적인 TREC 시스템은 구조적 진동 패턴을 활용하여 낮은 등급의 열을 에너지로 효율적으로 변환합니다. 이러한 발전은 웨어러블 기술과 이차전지의 에너지 변환을 변화시킬 수 있습니다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 이현욱 교수, 서동화 교수 연구팀이 싱가포르 난양공대 이석우 교수와 공동으로 저급 열원(<100°C)을 활용해 효율적인 에너지 전환에 획기적인 성과를 거뒀다. 그들의 선구적인 연구는 작은 온도 차이를 사용 가능한 에너지로 변환할 수 있는 효율적인 열 재생 전기화학 사이클(TREC) 시스템을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다.
그림 1. 배터리와 TREC 시스템의 다양한 메커니즘을 보여주는 개략도. 배터리 시스템(왼쪽)은 저장된 에너지의 일부를 사용할 수 없는 에너지로 손실하는 반면, TREC 시스템(오른쪽)은 배터리 사이클 동안 저급 폐열 에너지를 전기화학 에너지로 변환할 수 있습니다. 이미지 출처: UNIST
전통적인 에너지 수확 시스템은 낮은 등급의 열원을 효율적으로 활용하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 그러나 TREC 시스템은 배터리 기능을 열에너지 수확과 통합하기 때문에 매력적인 솔루션을 제공합니다. 본 연구에서 연구팀은 TREC 시스템의 효율성을 향상시키는 데 있어 구조적 진동 모드의 역할을 조사했습니다.
공유 결합의 변화가 진동 모드(특히 구조적 물 분자에 영향을 줌)에 어떻게 영향을 미치는지 분석함으로써 연구원들은 미량의 물이라도 시안화물 리간드의 A1g 스트레칭 모드에서 강한 구조적 진동을 유발할 수 있음을 발견했습니다. 이러한 진동은 TREC 시스템 내 큰 온도 계수(ɑ)에 크게 기여합니다. 이러한 통찰력을 바탕으로 팀은 나트륨 이온수 전해질을 사용하여 효율적인 TREC 시스템을 설계하고 구현했습니다.
그림 2. TREC 원리와 PBA 구조에서 물 분자의 영향. (상단) CuHCFe 구조 및 공유결합 변화(-ICOHP/eV)에 대한 물 분자 제거 효과. Cu─N 및 Fe─C 결합에 대한 평균 -ICOHP 값과 6개의 Fe─C 결합에 대한 -ICOHP 값의 SD가 제공됩니다. (가운데) 시안화물 리간드의 신축 진동 모드에 대한 물 분자의 영향. (하단) d) TREC 풀 셀과 하프 셀에 의해 수확된 전력. 저온과 고온은 각각 10°C와 60°C입니다. O/Cu-x를 기준으로 풀 셀의 전류 밀도는 0.5C(30mAg−1)로 설정됩니다. 이미지 출처: UNIST
이현욱 교수는 “이 연구는 구조적 진동 모드가 어떻게 TREC 시스템의 에너지 수확 능력을 향상시키는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.”라고 설명했습니다. "우리의 결과는 이러한 진동 모드에 의해 변조되는 프러시안 블루 유사체의 본질적인 특성에 대한 이해를 심화시켜 향상된 에너지 변환을 위한 새로운 가능성을 열어줍니다."
TREC 시스템의 잠재적인 응용 분야는 매우 넓으며, 특히 웨어러블 기술과 작은 온도 차이가 존재하는 기타 장치에서 더욱 그렇습니다. 낮은 등급의 열을 효율적으로 포착하여 사용 가능한 에너지로 변환함으로써 TREC 시스템은 차세대 2차 배터리 개발을 위한 유망한 방법을 제공합니다.