소니, 설탕으로 전기를 생산하는 바이오 배터리 개발

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패시브형 바이오전지 세계 최고 출력 달성

소니(Sony)는 오늘 살아있는 유기체에서 발견되는 발전 원리를 적용하여 효소를 촉매로 활용하여 탄수화물(설탕)로부터 전기를 생성하는 바이오 배터리1를 개발했다고 발표했습니다.

이 바이오 배터리의 테스트 셀은 현재 패시브형3 바이오 배터리 중 세계 최고 수준인 50mW의 전력 출력을 달성했습니다. 이러한 테스트 셀의 출력은 메모리형 Walkman에서 음악을 재생하는 데 충분합니다.

재생을 위해 Walkman에 연결된 프로토타입 바이오 배터리 유닛 4개(왼쪽)

소니는 세계 최고의 전력 출력을 실현하기 위해 양극에서 효소의 활성을 유지하면서 효소와 매개체(전자 전도 물질)를 효율적으로 고정시키는 설탕을 분해하여 전기를 생성하는 시스템을 개발했습니다. 또한 소니는 적절한 수분 함량을 유지하면서 전극에 산소를 효율적으로 공급하는 새로운 음극 구조를 개발했습니다. 이 두 가지 기술에 대한 전해질 최적화를 통해 이러한 전력 출력 수준에 도달할 수 있었습니다.

설탕은 식물이 광합성을 통해 생산하는 자연 발생 에너지원입니다. 따라서 재생성이 뛰어나고 지구상 대부분의 지역에서 발견될 수 있으며, 이는 미래의 친환경 에너지 장치로서 설탕 기반 바이오 배터리의 잠재력을 강조합니다.

소니는 향후 이러한 바이오 배터리의 실제 적용을 실현한다는 목표로 전력 출력과 내구성을 더욱 향상시키기 위해 고정화 시스템, 전극 구성 및 기타 기술을 계속 개발할 것입니다.

여기에 제시된 연구 결과는 미국 매사추세츠주 보스턴에서 열린 제234회 미국화학회 전국회의 및 박람회에서 학술논문으로 채택되었으며, 2007년 8월 22일 현지시간 오전 11시에 발표되었다.

바이오 배터리 메커니즘

새로 개발된 바이오 배터리는 셀로판 분리막의 양면에 당 분해 효소와 매개체로 구성된 양극과 산소 감소 효소와 매개체로 구성된 음극을 통합합니다. 양극에서는 다음과 같이 효소산화를 통해 당(포도당)에서 전자와 수소이온을 추출합니다. 포도당 -> 글루코노락톤 + 2 H+ + 2 e– 수소이온은 분리막을 통해 음극으로 이동합니다. 음극에 도달하면 수소 이온과 전자는 공기 중의 산소를 흡수하여 물을 생성합니다. (1/2) O2 + 2 H+ + 2 e– -> H2O 이러한 전기화학 반응 과정을 통해 전자는 외부 회로를 통과하여 물을 생성합니다. 전기를 생성합니다.

본 바이오전지 연구개발의 주요 성과

1) 전극에 효소와 매개체의 고정화를 강화하는 기술

효과적인 포도당 소화가 일어나기 위해서는 양극에 활성이 유지된 상태로 고농도의 효소와 매개체가 포함되어야 합니다. 이 기술은 두 개의 폴리머를 사용하여 이러한 구성 요소를 양극에 부착합니다. 각 폴리머는 반대 전하를 가지므로 두 폴리머 사이의 정전기적 상호 작용이 효소와 매개체를 효과적으로 보호합니다. 이온 균형 및 고정화 과정은 포도당에서 효율적인 전자 추출을 위해 최적화되었습니다.

2) 효율적인 산소흡수를 위한 음극 구조

음극 내의 수분 함량은 효율적인 산소 환원을 위한 최적의 조건을 보장하는 데 필수적입니다. 바이오 배터리는 셀로판 분리기를 사용하여 분할된 고정화된 효소와 매개체를 포함하는 다공성 탄소 전극을 사용합니다. 이 전극 구조와 공정의 최적화는 적절한 수위를 유지하여 음극의 반응성을 향상시킵니다.

3) 바이오배터리 셀 구조에 맞는 전해질 최적화