카이스트, 세계 최고수명 ESS 수계전지 개발…신재생에너지 확대 기대


고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도.[사진 = 카이스트]

고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도.[사진 = 카이스트]


카이스트 연구팀이 세계에서 가장 긴 수명을 보유한 수계 아연-브롬 레독스 흐름전지를 개발했다. 이 전지는 신재생에너지로 생산된 전력을 저장하는 ESS(에너지저장시스템)에서 많이 활용되는 리튬이온전지와 비교해 가격이 저렴하고, 화재 위험도 없다.

특히 이번 연구개발 성과는 전지 수명을 단축하는 주요 원인인 ‘덴드라이트’ 형성의 주요 원인을 규명했다는 점에서 의미가 있다.

카이스트는 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 이를 바탕으로 전 세계에서 보고된 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 오래가는 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지개발에 성공했다.

현재 대부분의 ESS는 저렴한 리튬이온전지 기술을 채택하고 있지만, 화재 위험성이 있다. 리튬이온전지를 대신해 배터리 과열을 원천 차단하는 수계(물) 전해질을 이용하면서 초저가인 브롬화 아연을 이용하는 레독스 흐름전지가 주목을 받았다.

하지만 짧은 수명 때문에 상용화가 지연돼 왔다. 주요 원인은 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 덴드라이트 형성이다.

연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 표면확산을 통한 자가응집 현상이 발생한다는 사실에 주목하고, 자가응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다.

더 나아가 연구팀은 특정 탄소결함 구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제돼 덴드라이트가 발생하지 않는 사실도 발견했다. 이를 통해 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성을 구현할 수 있었다.

김 교수는 “차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과”라면서 “기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.
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