▲ 이온교환 담수배터리의 원리 / (왼쪽) 해수전지 충전 중 나트륨과 염소가 제거되는 원리. (오른쪽) 해수전지 방전 중 나트륨과 염소가 배출되는 원리.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

기후변화로 물 부족이 심각해지면서 해수담수화 필요성이 커졌다. UNIST 연구팀이 담수화 과정에서 발생하는 CO2 배출 문제를 해결하기 위해 신재생 에너지 저장과 담수화를 동시에 실현하는 기술을 개발했다.

UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수팀과 김영식 교수팀은 바닷물을 담수화하는 배터리를 개발했다. 이 배터리는 충전과 방전 과정에서 염소를 반복적으로 포집한다. 음이온교환수지를 활용해 염소를 효과적으로 포집하고 재생할 수 있다.

연구팀은 375mL의 해수를 공업용수 수준까지 탈염하는 데 성공했다. 기존 배터리는 방전 시 염소의 60%가 전극에 잔류해 재생이 어려웠지만, 담수 배터리는 99% 이상 제거해 우수한 재생능력을 보였다.

담수 배터리는 방전 과정에서 음극에 포집된 나트륨이 배출되며, 동시에 음이온교환수지에 포집된 염소도 함께 배출된다. 양극에서 발생하는 수산화이온(OH-)을 이용해 추가적인 에너지 없이 이온교환수지를 재생하는 원리이다.

실제 해수환경에서도 정상 작동했으며, 약 3.9 wt%의 해수를 약 0.7 wt% 수준까지 담수화했다. 공업용수로 활용 가능한 수준이다.

안광진 교수는 "이 기술로 에너지 저장용 배터리와 해수담수화 장비를 하나로 통합해 설비 비용을 절감할 수 있다"며, "신재생 에너지를 저장해 지속가능한 해수담수화에 기여할 것"이라고 설명했다.

김영식 교수는 “담수 배터리를 이용한 해수담수화가 차세대 해수담수화 기술로서 상용화되는 시기를 앞당길 것”이라고 말했다.

연구 결과는 ACS Energy Letters에 2024년 5월 16일 게재됐다. 

논문명은 Ion-exchange desalination battery with reversible chloride capture 이다.