KAIST, 세계 최장 수명 ‘ESS 수계전지’ 개발

김희탁 교수팀, 아연 금속의 수명 단축 원인 메커니즘 규명
높은 충전·방전 성능, 장수명 전지 개발 성공

KAIST는 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명해 레독스 흐름 전지 가운데 가장 오래가는 수명을 갖는 ‘수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지’를 개발했다고 5일 밝혔다.

KAIST 생명화학공학과 이주혁 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘Energy and Environmental Science’에 지난달 표지논문으로 게재됐다. 논문명은 Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries.

현재 대부분의 에너지저장시스템(ESS)은 값싼 리튬이온전지 기술을 활용하고 있지만 리튬이온전지는 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는데는 적합하지 않다.

이에 따라 배터리 과열현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 레독스 흐름 전지가 큰 주목을 받고 있다.

이 중 초저가의 브롬화 아연(ZnBr2)을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지와 비교할 때 높은 구동 전압 및 에너지 밀도, 가격이 싸다는 장점으로 연구개발이 왕성하다.

하지만 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 아연 음극이 나타내는 짧은 수명 때문에 상용화가 어렵다는 단점이 있다. 수명단축의 주 원인은 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 덴드라이트(Dendrite)로 이는 전지의 내부 단락을 유발, 수명을 단축시킨다.

현재 덴드라이트 형성 메커니즘은 명확히 규명되진 않고 있지만 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 추정하고 있다.

김희탁 교수팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 표면 확산(Surface diffusion)을 통한 ‘자가 응집(Self-agglomeration)’ 현상이 발생한다는 사실에 주목하고, 양자역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송전자현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 밝혀냈다.

연구팀은 또 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않는다는 사실도 규명했다.

이어 김 교수팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다.

이는 지금까지 전 세계에서 보고된 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 연구결과 중 가장 뛰어난 수명성능이라고 연구팀은 설명했다.

김희탁 교수는 “차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복키 위한 새로운 기술을 제시했다”며 “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.

[대전=뉴시스]