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김희탁 KAIST 교수, 가장 수명 긴 ESS 수계전지 개발
김희탁 KAIST 교수, 가장 수명 긴 ESS 수계전지 개발
  • 장기영
  • 승인 2020.10.05 13:17
  • 댓글 0
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김희탁 KAIST 교수(생명화학공학과·사진) 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 성공했다.

현재 대부분의 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS)은 값이 저렴한 ‘리튬이온전지’ 기술을 채택하고 있지만 이는 태생적으로 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다.

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 1970년대부터 ESS용으로 개발돼왔다. 

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 꼽히고 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  탄소 결함구조에서는 아연 핵의 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. 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 5천 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 연구팀 관계자는 지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명 성능을 지닌 전지라는 점을 강조했다. 
한편 이번 연구는 국제 학술지 ‘Energy and Environmental Science’에 최근 게재되고 표지논문으로 선정됐다.


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