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May 29, 2023

단순히 전기를 저장하는 것 이상: 과학자들이 이중성을 개발함

By Wiley2023년 8월 30일 칭화대학교 연구원들은 전기를 저장하고 공급할 뿐만 아니라 푸르푸릴 알코올과 같은 귀중한 화학 물질을 생산하는 하이브리드 배터리를 개발했습니다.

Wiley 작성2023년 8월 30일

칭화대 연구진은 전기를 저장하고 공급할 뿐만 아니라 푸르푸릴 알코올, 푸로산과 같은 귀중한 화학물질을 생산하는 하이브리드 배터리를 개발했습니다. 이중 용도 시스템은 특수 촉매를 사용하여 배터리가 충전 또는 방전되는 동안 바이오매스 유래 푸르푸랄을 유용한 화학 물질로 변환하는 충전식 및 산화환원 흐름 배터리의 기능을 결합합니다.

2차 전지는 전극 물질에 전기를 저장하는 반면, 레독스 흐름 전지는 전극에 부착된 탱크에 저장된 화학물질을 사용합니다. 과학자들은 최근 전기를 저장하고 공급할 뿐만 아니라 흐름 시스템에서 유용한 화학 물질을 생성하는 하이브리드 배터리 시스템을 설계했습니다.

While in use the furfural–nickel hydroxide battery transforms biomass-sourced furfural into either furfuryl alcohol or furoic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">산.

푸르푸랄은 농업용 바이오매스에서 흔히 볼 수 있는 오탄당으로 형성된 소분자이며, 다양한 응용을 위해 수많은 중간체를 얻을 수 있는 중요한 플랫폼 화학물질로 간주됩니다. 이는 식품 방부제이자 의약품 및 향료 합성의 중간체인 푸로산으로 산화될 수 있습니다.

환원되면 푸르푸랄은 수지, 향료 및 약물의 전구체인 푸르푸릴 알코올로 전환됩니다. Haohong Duan과 중국 베이징 칭화대학교 연구팀은 하이브리드 플로우 배터리 작동 중에 두 가지 부가가치 화학 물질을 모두 확보하여 배터리 시스템의 비용 효율성을 높이는 데 성공했습니다.

표준 충전용 배터리는 충전 시 전극에 전기를 저장했다가 방전 시 회로에 공급합니다. 또 다른 배터리 유형인 산화환원 흐름 배터리는 화학 물질에 전기를 저장하며, 화학 제품은 두 상태 사이를 순환하며 배터리 내에 남아 있습니다. 두 개념을 결합하여 연구원들은 이러한 배터리가 에너지를 저장하거나 제공하는 동안 추가 화학 물질을 생산할 수 있는 정도를 조사했습니다.

A breakthrough came in the form of a bifunctional metal catalyst for the anode. Made of a rhodium–copper single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 이 촉매는 전지를 충전할 때 전해질을 함유한 푸르푸랄을 푸르푸릴 알코올로 원활하게 전환시키고, 전지가 방전될 때 푸로산이 형성되도록 했다. 음극의 경우, 연구원들은 전통적인 니켈-아연 또는 니켈-금속 수소화물 배터리에 사용되는 음극 재료와 유사한 코발트 도핑 수산화니켈 재료를 확인했습니다.

이 조립을 통해 진정한 이중 용도 배터리 시스템이 탄생했습니다. 충전 후(태양 전지 사용) 4개의 직렬 연결된 하이브리드 배터리는 LED 조명과 스마트폰을 포함한 다양한 장치를 실행할 수 있었고, 배터리 사용 중에 푸르푸릴 알코올과 푸로산을 지속적으로 생성했습니다. 순환, 이러한 화학 물질은 흐름 시스템을 사용하여 제거됩니다.

저자들은 새로운 하이브리드 배터리가 에너지 밀도와 전력 밀도 측면에서 다수의 일반 배터리와 비슷하면서도 전력과 부가가치 화학물질을 동시에 제공한다는 사실을 발견했습니다. 1kWh의 에너지를 저장하면 0.7kg의 푸르푸릴알코올이 생성되고, 시스템이 0.5kWh(냉장고를 몇 시간 동안 작동할 수 있는 전력)의 전력을 제공하면 1kg의 푸로산이 생성됩니다. 그러나 푸르푸랄은 시스템에 지속적으로 공급되며 제품은 전해질과 분리되어야 합니다.