세계 최고 수명 'ESS 수계 전지' 개발

고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도

[아시아경제 황준호 기자] 리튬 이온 전지의 30배 높은 충·방전 전류 밀도와 5000번 이상의 충·방전이 가능한 아연- 브록스 흐름 전지가 개발됐다. 연구진은 신재생 에너지의 확대나 에너지 저장장치(ESS) 시장의 확대에 기여할 기술로 평가했다.

김희탁 한국과학기술원 생명화학공학과 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터)의 연구팀은 가장 오래가는 수명을 가진 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 개발했다고 5일 밝혔다. 같은 과 이주혁 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구 논문은 국제 학술지인 '에너지와 환경과학'의 9월 표지논문으로 실렸다.

아연 유발 '고질병' 해소한 레독스 흐름 전지

연구팀은 레독스 흐름 전지를 상용화할 수 있는 기술을 개발했다. 레독스 흐름 전지는 양극과 음극 전해액 내 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지를 저장하는 전지다.

이 전지는 음극 소재로 사용되는 아연의 짧은 수명 때문에 상용화가 지연됐다. 아연 금속이 충·방전 과정 중 불균일한 돌기 형태의 덴드라이트를 형성하면서 전지 내부에 단락을 유발해 수명을 줄이는 것이 문제였다.

김 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 표면 확산을 통한 자가 응집 현상이 발생한다는 사실에 집중했다. 이어 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명했다. 또 탄소 워자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제돼 덴드라이트가 발생하지 않는다는 사실을 발견했다.

리튬이온전지보다 30배 높은 충·방전 전류밀도

김희탁 교수

연구팀은 이같은 결함을 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 연구팀 관계자는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명 성능을 지닌 전지라고 말했다.

김희탁 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.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr