리튬이온전지보다 30배 고출력 이차전지 개발

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 이온이 이동하는 전해질을 물로 사용해 화재 위험성이 없는 이차전지를 개발했다. 이 전지는 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000 사이클 이상 작동해도 성능이 유지됐다고 연구진은 설명했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 수명이 긴 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 개발했다고 5일 밝혔다.

김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과"라고 말했다.

레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지를 저장하는 전지다.

연구진은 충방전때 음극에 아연이 쌓여 부풀어 오르는 문제를 해결해 수명을 늘리는데 성공했다. 양극이나 음극의 금속 표면에 이온이 쌓여 나뭇가지 형태의 결정을 덴드라이트라고 한다.

연구진은 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 밝혀냈다. 또 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실도 발견했다.

연구진에 따르면 탄소 원자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 결함은 아연 핵과 전자를 교환하며, 강하게 결합함으로써 표면 확산이 억제되고 균일한 핵생성 또는 성장을 가능하게 한다.

연구진은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용했다. 그결과 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000번 이상 충·방전해도 97% 이상의 성능을 유지했다.

김희탁 교수는 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 '에너지 및 환경과학'에 최근 게재되는 한편 표지논문으로 선정됐다.

한편, 최근 들어 신재생에너지의 간헐성을 보완하고 전력 피크 수요를 충당하기 위해 신재생에너지 및 심야 전력을 대용량으로 저장, 필요할 경우 저장된 에너지를 설비에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 ESS 기술이 각광받고 있다.

현재 대부분의 ESS는 값이 저렴한 '리튬이온전지' 기술을 채택하고 있지만, 화재 위험성 때문에 ESS에 적합하지 않다는 지적을 받아왔다.

[e-mail] 김만기 기자