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Nikkei X-TECH_2023.2.6

외기의 습도 변화로 발전하는 배터리 출품
산업기술종합연구소, 출력은 실내 태양전지 수준으로

산업기술종합연구소는 이번 '국제 나노기술종합전 기술회의(nano tech 2023, 2023년 2월 1~3일 도쿄빅사이트)'에 '습도 변동 전지' 또는 'IoT 센서용 습도 변동 발전소자'를 출품. 개발한 소자로 전자 모터를 돌리는 데모도 시연했다.

산업기술종합연구소가 2021년 6월에 발표한 기술이지만, 이번 전시회에 출품함으로써 실용화를 가속화하려는 것으로 보인다. “IoT(Internet of Things) 단말용 자립 전원으로서 기대할 수 있다”(산업기술종합연구소)라고 한다.

-- 리튬이온 2차전지와는 비슷하면서도 다른 소자 --
산업기술종합연구소가 개발한 것은 염화리튬(LiCl) 수용액을 전해액으로 하는 일견 리튬이온 2차전지(LIB)와 같은 소자이다. 2개의 전극은 모두 은(Ag)과 염화은(AgCl)으로 구성되어 있다. 또한 전극 사이에 양이온 교환막을 두어 리튬이온 이외의 전하 왕래를 차단했다.

하지만 이것은 리튬이온 2차전지가 아니다. 두 전극이 같은 재료로 이루어져 있어 전극 재료만으로는 전위차가 생기지 않기 때문이다.

그럼에도 습도가 변화하는 환경에 두면 전극 간에 전위차가 발생해 회로가 있으면 전력을 출력한다. 이유는 이렇다. 양이온 교환막으로 분리된 2개의 전해액 중 하나는 밀봉된 형태로 되어 있어 리튬이온 이외의 전해질 성분이나 용매가 외부로 출입하지 못하지만, 다른 한쪽의 전해액은 공기에 접해 있어 습도에 따라 물을 흡수하거나 방출한다.

소자 주위의 공기가 저습도인 경우에는 전해액 안의 물이 증발해 전해액 농도가 높아진다. 이 농도가 밀폐된 측의 전해액 농도를 넘으면 삼투압 원리로 리튬이온의 일부가 다른 측의 전해액으로 양이온 교환막을 투과해 이동한다. 그러면 전위차가 생기기 때문에 전극에 연결된 회로로 전류가 흐르게 된다.

반대로, 공기 습도가 높아지면 공기에 접해 있는 측의 전해액에 공기 중의 물이 흡수되어 전해액 농도가 낮아진다. 이 농도가 밀폐된 전해액 농도보다 낮아지면 저습도일 때와는 반대되는 현상이 일어난다. 회로에 흐르는 전류의 방향은 반대가 된다. “실용화할 경우에는 정류(整流) 회로를 삽입해 전류의 방향을 같게 할 것이다”(산업기술종합연구소).

-- 실내 태양전지 수준의 출력 --
산업기술종합연구소에 따르면, 2시간 만에 습도가 30%에서 90%까지 높아지고, 다시 2시간 만에 90%에서 30%로 내려가는 등의 변동이 있는 환경에서는 소자가 최대 3.3μW/cm2의 발전 출력 밀도를 나타낸다고 한다. 이것은 일반 주택 조명의 평균 밝기 약 200룩스(Lux) 아래에서의 실내용 태양전지 출력밀도와 같은 수준이다.

환경 발전 소자, 또는 에너지 하베스팅 기술 중에서는 출력 밀도가 큰 부류라고 할 수 있다. 주광(晝光) 또는 조명의 유무에 출력이 좌우되지 않아 실내용 태양전지의 보완적인 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

이러한 습도의 변동을 발전에 이용하는 아이디어는 이전부터 있었지만, 지금까지는 소자의 내부 저항값이 커 출력을 거의 얻지 못했다. 이번 기술은 내부 저항치를 낮추는 연구와 염화리튬의 강한 조해성(潮解性), 즉 소금이 수분을 끌어당기는 강한 힘 덕분에 추출할 수 있는 전력을 최대화할 수 있었다고 한다.

-- 끝 --

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