초록 ▼

연구개요
인간 사회가 고도로 산업화, 문명화 되면서 과도한 전기 에너지 생산과 소비로 인해 인류는 지구 온난화와 기후 변화 문제에 직면하게 되었다. 이에 따라 세계 각국에서 탄소 중립 정책을 시행하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광, 풍력 등의 기존 재생에너지는 자연환경 및 기상 조건에 크게 영향을 받아 전력을 생산, 공급하는데 한계가 있다. 그러나 폐열 에너지는 전체 생산에너지의 66%에 해당하는 막대한 양이 존재하며, 일상생활이나 산업현장 등 어디서나 발생한다. 특히 폐열의 대부분을 차지하는 저온 폐열 에

연구개요
인간 사회가 고도로 산업화, 문명화 되면서 과도한 전기 에너지 생산과 소비로 인해 인류는 지구 온난화와 기후 변화 문제에 직면하게 되었다. 이에 따라 세계 각국에서 탄소 중립 정책을 시행하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광, 풍력 등의 기존 재생에너지는 자연환경 및 기상 조건에 크게 영향을 받아 전력을 생산, 공급하는데 한계가 있다. 그러나 폐열 에너지는 전체 생산에너지의 66%에 해당하는 막대한 양이 존재하며, 일상생활이나 산업현장 등 어디서나 발생한다. 특히 폐열의 대부분을 차지하는 저온 폐열 에너지를 활용하여 발전(發電)할 경우 에너지 손실을 줄이면서, 전기에너지를 안정적으로 공급할 수 있다. 본 연구팀은 열역학적 사이클에 기반하여 저온 폐열에너지를 효과적으로 전기에너지로 변환하는 순환 열전기화학전지를 개발하고, 45%의 변환 효율(카르노 효율 대비)을 달성하고자 한다. 이를 위해 (1) 전극 활물질의 열전계수를 제어하는 연구를 수행하고, (2) 고효율의 프레임-활물질의 전극을 제작하여 발전 소자의 성능을 평가한다.

연구 목표대비 연구결과
온도가 상승(하강)할 때 전압이 하강(상승)하는 특성을 갖는 순환 열전기화학전지는 ‘가열-충전-냉각-방전’의 사이클을 통해 충전 전압보다 방전 전압을 높여 폐열로부터 알짜 일을 얻는다. (1) 방전된 전지를 개회로 상태에서 가열하면 전지의 특성에 의해 전압이 하강한다. (2) 이 상태에서 전하를 충전하고, (3) 개회로 상태에서 냉각하면 충전된 전하량이 동일한 상태에서 전압만 상승한다. (4) 전압이 높아진 상태에서 방전하면 한 번의 사이클 구동이 완료된다. 순환 열전기화학전지의 효율은 알짜일을 시스템이 흡수한 열로 나누어 계산한다. 순환 열전지의 충방전시 전압 변화를 크게 하고 충전 전하량을 높임으로써 효율을 높일 수 있다. 이를 위해 1차년도에서는 총 엔트로피 변화량과 전기화학적 열전 계수에 대한 이론적 이해를 확립하였으며, 이를 바탕으로 입자의 격과 구조와 크기 조절 및 이온 삽입 비율 조정 등의 열전 계수 변인을 선정하였다. 다양한 Prussian blue analogues(PBA)를 합성하여 변인에 따른 열전 계수를 측정한 결과 완전셀(full cell) 구성시 –2.5 mV/K의 열전 계수 (목표: -2.4 mV/K 이하)를 얻을 수 있음을 확인하였다. 2차년도에서는 충전량을 증가시키기 위해 IMA와 수열합성 방법을 통해 그래핀 프레임에 PBA가 합성된 전극을 제작하였다. 해당 전극에 micro-meso-macro의 공극이 존재하는 것을 수은 압입법과 BJH 방법을 통해 확인하였으며, 비표면적 360 m²/g(목표: 비표면적 100 m²/g 달성)과 49.35 mAh/g의 충전용량(목표: 용량 30mAh/g 달성)을 달성하였다. Ni-Co HCF 1:3 을 활물질로 사용하여 2.99 J/g의 일을 생성하였으며, 구리를 전극으로 사용하였을 때 4.08 J/g의 일을 생성하면, 완전셀로 구동시 7.07 J/g의 일을 달성(목표: 알짜 일 생성 5.4 J/g 달성)할 수 있다. 카르노 효율 대비 열전 효율은 53.6% (열 회복율: 70%)를 달성(목표: 열전 변환 효율 45% 달성)하였다.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구팀의 순환 열전기화학전지는 캐리어 농도 차이에 기반한 열전소자와 달리 전기화학반응으로 구동되기 때문에 수십 배 높은 열전 계수 확보가 가능하여 저온폐열을 효과적으로 활용할 수 있다. 이를 통해 다양한 에너지 변환 과정에서 발생하는 폐열을 능동적으로 활용하여 손실 에너지를 줄일 수 있다. 특히 자동차 대시보드, 배기관 등에서 발생하는 생활 폐열은 물론, 건물 외벽 등의 도시형 폐열 에너지 활용도 가능하다. 폐열 에너지를 이용한 신개념 신재생 친환경 발전 기술을 구현함으로써 기후·환경 변화에 대응할 수 있으며 신재생에너지 발전 시장에서 우리나라의 영향력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 9
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 참고문헌 ... 19
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 22
• 끝페이지 ... 28