물 분자 수 적을수록 TREC 시스템 효율성 향상될 수 있어
(서울=내외방송) 앞으로 체온으로 충전하는 웨어러블 기기를 기대해봐도 좋겠다.
UNIST(울산과학기술원)는 "이현욱, 서동화 에너지화학공학과 교수 연구팀이 이석우 싱가폴 난양공대 교수 연구팀과 함께 TREC(열전 이차전지) 시스템의 에너지 변환 효율을 높이는 핵심 인자를 알아냈다"고 최근 밝혔다.
100℃ 이하의 적은 온도 차이에서 발생하는 열에너지만으로도 이차전지(외부의 전원을 공급받아 전기를 저장할 수 있는 전지)를 충전할 수 있는 시스템도 개발됐다.
TREC은 온도에 따라 변하는 전압의 크기를 활용해 서로 다른 온도계수(온도 변화에 대한 양의 변화 정도)를 가진 전극 소재로 이차전지를 구성한다.
외부 온도 변화로 발생된 열에너지를 이차전지 내부에서 전기화학 에너지로 변환시키는 것이다. 이를 활용하면 체온이나 낮과 밤의 온도 차이로도 에너지를 충전할 수 있다.
연구팀은 다양한 방식으로 TREC을 활용하기 위해 에너지 변환 효율 향상법을 연구했다. 양극 소재의 내부 물질 구조가 어떤 영향을 미치는지 분석하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 결과를 확인했다.
그 결과 소재가 갖는 물 분자 수가 적을수록 양극 소재 구조의 대칭성이 증가해 물 분자 근처의 전이 금속(광택을 띠고 은회색이며 전기와 열의 전도체)과 리간드(금속이온에 결합하는 물질) 결합이 강화되는 것이 확인됐다.
이렇게 구조가 변화되면 큰 진동에너지를 가진 A1g 진동모드(리간드가 중심 전이 금속이온에게서 멀어지는 방향으로 진동)가 활성화돼 구조 진동 엔트로피(물질 구조의 고유 진동에 따라 구조 진동 물리량이 더 크게 변화)가 커지는 것도 밝혀졌다.
엔트로피 변화는 온도계수의 크기와 밀접한 관계가 있으므로 TREC 시스템의 효율을 향상할 수 있는 열쇠가 되는 것이다.
이 교수는 "인체 부착형 전지의 개발을 위해 TREC 시스템 같은 새로운 충전 방법이 발견되고, 적합한 차세대전지의 개발과 연구가 더욱 진행될 필요가 있다"고 말했다.
최아름 연구원이 제 1저자로 참여한 이 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 최근 온라인 게재됐다(논문명: Enhancing efficiency of low-grade heat harvesting by structural vibration entropy in thermally regenerative electrochemical cycles).
