작성일 : 20-10-06 12:13
김희탁 KAIST 교수, 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발 , 세계 최고 수명···불타지 않는 '에너지저장시스템'
 글쓴이 : happy
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고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도. <사진=KAIST 제공 >
최근 2년간(2017년~2019년) 국내에서 발생한 ESS 화재사고 33건 가운데 가동이 중단된 곳은 35%에 달한다. 집계된 손해액만도 약 7000억 원 이상으로 추정되고 있는 만큼, 리튬이온전지와 관련한 새로운 대안이 요구되고 있다.  

KAIST(총장 신성철)는 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 해결함으로써 전 세계에서 보고된 전지 가운데 가장 오래가는 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다. 레독스 흐름 전지양극·음극 전해액 내에 활물질(전기에너지 생산 물질)을 녹여 전극에 공급, 활성 물질의 산화·환원 반응으로 에너지를 저장하는 전지이다.

최근 신재생에너지와 심야 전력을 대용량으로 저장하고 이를 설비에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS) 기술이 각광받고 있다. 하지만 이는 발화로 인한 화재 위험성이 크다는 한계가 있다. 

최근에는 배터리 과열 현상을 차단하는 레독스 흐름 전지가 주목받고 있다. 이는 다른 전지에 비해 높은 구동 전압과 에너지 밀도, 저렴한 가격이 장점이다. 하지만 짧은 수명으로 상용화가 지연되고 있으며, 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 덴드라이트(아연 이온이 금속 전극 표면에 증착될 때 성장하는 비정상적 결정) 형성은 수명을 단축하는 주원인으로 지적되고 있다.

연구팀은 낮은 표면 에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 표면 확산(Surface diffusion)을 통한 자가 응집(Self-agglomeration) 현상이 발생한다는 사실에 주목, 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주원인임을 규명했다. 연구팀은 이와 함께 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않는다는 사실을 발견했다.

탄소 원자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 결함(single vacancy defect)은 아연 핵과 전자를 교환하며, 강하게 결합함으로써 표면 확산이 억제되고 균일한 핵생성 또는 성장을 가능하게 한다. 연구팀은 고밀도 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성 구현에 성공했다. 이는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 보여준다.

김희탁 교수"차세대 수계 전지 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과"라며 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능해 신재생에너지 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다.  

이주혁 KAIST 생명화학공학과 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 'Energy and Environmental Science'에 지난 9월 게재와 동시에 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries)

한편 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.