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KAIST, 세계 최고 수명을 지닌 불타지 않는 ESS(에너지저장시스템) 수계전지 개발
KAIST, 세계 최고 수명을 지닌 불타지 않는 ESS(에너지저장시스템) 수계전지 개발
  • 방완재
  • 승인 2020.10.05 13:30
  • 댓글 0
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- 김희탁 교수 연구팀, 아연 금속의 수명 단축 원인 덴드라이트 형성
핵심 메커니즘을 규명
- 높은 충·방전 성능의 5,000 사이클 이상 장수명 전지 개발에 성공
그림 1. 고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도
그림 1. 고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도
그림 2. Energy and Envieonmental Science지의 표지
그림 2. Energy and Envieonmental Science지의 표지

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결함으로써 전 세계에서 보고된 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 오래가는 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

KAIST 생명화학공학과 이주혁 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `Energy and Environmental Science'에 최근(9월) 게재되는 한편 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)

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 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS) 기술이 각광받고 있다.

현재 대부분의 ESS는 값이 저렴한 `리튬이온전지' 기술을 채택하고 있지만, 리튬이온전지는 태생적으로 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다. 실제 2017년~ 2019년까지 2년간 국내에서 발생한 리튬이온전지로 인한 ESS 화재사고 33건 가운데 가동이 중단된 곳은 전체 중 35%에 달한다. 현재까지 집계된 손해액만도 약 7,000억 원 이상으로 추정되고 있다.

따라서 최근에는 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 *레독스 흐름 전지가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 초저가의 브롬화 아연(ZnBr2)을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지와 비교할 때 높은 구동 전압과 함께 에너지 밀도를 높일 수 있고, 가격이 싸다는 장점 때문에 70년대부터 ESS용으로 개발돼왔다.

☞ 레독스 흐름 전지(Redox flow battery): 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 에너지는 저장하는 전지이다.

문제는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 경우 아연 음극이 나타내는 짧은 수명 때문에 상용화가 지연되고 있다는 점이다. 특히 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 *덴드라이트 형성은 전지의 내부 단락을 유발해 수명을 단축하는 주요 원인으로 지적되고 있다.
☞ 덴드라이트(Dendrite): 아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정.

현재 덴드라이트 형성 메커니즘은 명확히 규명되진 않고 있지만 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 추정하고 있다. 이런 문제 해결을 위해 그동안 균일한 핵의 생성을 유도하는 기술이 경쟁적으로 개발돼왔으나, 여전히 충분한 수명향상 효과를 얻지 못하고 있다.  

김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 `표면 확산(Surface diffusion)'을 통한 `자가 응집(Self-agglomeration)' 현상이 발생한다는 사실에 주목하고 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 이와 함께 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 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. 김 교수 연구팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5,000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 연구팀 관계자는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 지닌 전지라는 점을 강조했다.

KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 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 5,000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.  

한편 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다. (끝)

붙임 : 연구 개요, 용어 설명, 사진 설명, 교수 이력


□ 연구 개요

최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장시스템(ESS)가 주목받고 있다. 아연-브롬 레독스-흐름 전지는 아연과 브롬을 활물질로 사용하여 에너지를 저장·방출하는 이차전지로써, 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충∙방전이 진행되어 출력과 용량의 독립적인 설계 장점으로 인해 리튬-이온 배터리를 대체할 대용량 에너지 저장장치로써 주목을 받고 있다. 또한, 전해질 용매로써 물을 사용하고 아연을 음극으로 사용함으로써 폭발 위험이 없는 전혀 없는 전지로써 평가받는다.

하지만 아연-브롬 레독스 흐름 전지 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지목되는 전극 계면에서의 아연 금속의 불안정한 덴드라이트 형성은 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 상용화하는 데 가장 큰 걸림돌로 여겨져 왔다. 특히, 이러한 아연 금속의 덴드라이트 형성 메커니즘은 정확히 규명되지 않아, 전극의 설계 방향 또한 함께 답보 상태에 머물러 있었다.

이번 연구에서는 아연 금속의 덴드라이트의 성장 원인과 이를 해결할 수 있는 소재 전략을 제시했다. 기존에는 전극 계면에서 아연 핵들이 고정화되어 움직이지 못하는 상태에 머물러 있을 것으로 여겨져 왔지만, 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경을 통한 나노 수준의 분석을 통해서 아연 핵들은 표면 확산 거동을 나타낼 뿐만 아니라 덴드라이트 형성의 직접적인 원인임을 밝혀냈다. 나아가, 본 연구팀은 아연의 표면 확산 거동을 억제할 수 있는 탄소 집전체 계면의 결함 구조의 역할을 제시하고, 실제 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 집전체 합성에 성공하였다. 결과적으로 고밀도 탄소 결함 구조를 지닌 탄소 집전체를 적용한 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 100 mA/cm2이라는 높은 충방전 전류밀도에서도 5,000사이클 이상의 안정된 수명을 나타내는 것을 확인했다.

또한 전세계적으로 보고된 아연-브롬, 아연-요오드, 아연-철, 아연-세슘, 바나듐과 같은 다른 레독스 커플을 사용하는 레독스 흐름 전지 기술과 비교해도 가장 높은 출력과 수명을 나타낸다는 것을 확인했다.

□ 용어 설명

1. 수계 이차전지
- 전해질 용매로 물을 사용함으로써 기존 리튬계 전지에서 사용하는 유기계 용매를 사용하지 않아 화재 위험이 전혀 없다는 특징을 지니고 있다.

2. 레독스 흐름 전지 (Redox flow battery)
- 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용하여 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 전지이다.

3. 아연 (Zn)
- 아연은 리튬과 달리 물에 녹을 수 있는 금속으로써 높은 환원 포텐셜을 지니고 있을 뿐만 아니라, 지구상에 풍부하게 존재하는 원소로써 값이 저렴하다는 장점을 지니고 있다.

4. 브롬 (Br)
- 브롬은 양극 활물질로 사용되는 원소로써 낮은 산화 포텐셜을 지니고 있을 뿐만 아니라, 물에 고농도로 용해되는 특징으로 인해서 고 에너지 밀도의 이차전지 개발에 적합할 뿐만 아니라 값이 저렴한 활물질의 한 종류이다.

5. 충·방전 전류밀도 (Current density)
- 이차전지의 전기화학적 성능을 검증하기 위해서 충전과 방전을 반복적으로 수행함에 있어서, (+), (-) 전류를 반복적으로 인가하게 되는데, 이때 사용되는 전류 값을 사용한 전극의 면적으로 나누어서 산출한 값을 의미한다. 이 충· 방전 전류밀도 값이 클수록 전지는 더욱 고출력이 가능해지게 된다.

6. 전극 (Electrode)
전극은 전지 내에서 전류를 흘러들어오게 하거나 나오게 하는 소재이다.

7. 탄소 결함 (Carbon defect)
탄소는 전극에서 사용되는 대표적인 소재로써 전도성이 우수할 뿐만 아니라 값이 저렴하다는 특징을 지니고 있다. 이러한 탄소 구조는 탄소 원자들의 규칙적인 배열로 구성된 격자 형태를 나타내는 게 일반적이지만, 외부의 기계적, 화학적, 물리적인 조건 등에 의해서 탄소 원소들이 격자를 빠져나오게 되면 탄소 결함 구조 형태로 변성될 수 있다. 이러한 변성된 탄소 결함 구조는 기존의 격자 형태의 탄소 구조와는 다른 물리적, 화학적 특성을 나타내어 많은 연구가 집중적으로 이뤄지고 있다.

 


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