GIST, 차세대 전해질 활용 폭발·화재 위험 없는 '무흐름 아연-브롬 전지' 개발

무흐름 아연-브롬 전지에서 a) 수계 전해질의 문제점 및 b) 수화된 깊은 공융 용매 전해질 사용시 효과 도식화.

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 유승준 신소재공학부 교수팀이 수계와 유기계 전해질의 장점을 모두 갖춘 차세대 전해질을 이용해 고성능 '무흐름 아연-브롬 전지'를 개발했다고 28일 밝혔다.

'무흐름 아연-브롬 전지'는 물에 기반한 전해질을 사용하기 때문에 발화 가능성이 없고 안전하다. 기존 전지에서 전해액 저장소와 펌프를 제거한 '무흐름' 방식으로 가격 경쟁력까지 높다.

다양한 물 기반 전지 기술 가운데 무연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 전지는 높은 구동 전압과 에너지 밀도를 갖고 있어 1970년대부터 지속적으로 개발돼 왔다. 하지만 최근까지 아연 기반의 전해질에서 브롬 착화제의 용해도가 매우 낮다는 문제로 사용이 제한됐다.

수계 전해질과 수화된 깊은 공융 용매 전해질을 사용한 전지의 사이클 수명 성능 비교.

연구팀은 용해도 문제를 해결하기 위해 아연 이온의 양을 기존보다 3배로 늘리고 수분 함량을 30%로 최적화한 '수화된 깊은 공융 용매 전해질'을 개발했다.

연구팀이 개발한 전해질은 음극의 경우 아연 금속 표면에 물의 부반응을 막을 수 있는 소수성 보호층을 만들어 덴드라이트 형성을 억제했다. 양극에서는 브롬의 상변화로 교차확산이 억제되는 것을 확인했으며 셀의 자가 방전을 억제하는 것으로 나타났다.

새로운 전해질은 전지의 안정성과 고효율을 확보해 고용량 장수명 충방전 성능과 폭발, 화재 위험이 없으며 저렴하고 제조가 용이해 대용량화에 매우 적합하다. 향후 에너지 저장 장치에 활용수 있을 것으로 기대하고 있다.

왼쪽부터 유승준 GIST 교수, 임윤지 석사과정생, 이건우 석사과정생.

유승준 교수는 “차세대 전해질은 기존 수계 전해질의 장점인 친환경·저비용·비발화성은 유지하면서 낮은 효율성, 메탈전극과 물의 부반응 등 단점은 보완함으로써 향후 다양한 금속 전극 기반 전지에 전해질로 활용할 수 있을 것으로 예상한다”며 “간단한 제조공정의 장점으로 대형화·실용화 에너지저장장치(ESS)용 전지 기술 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.

유승준 교수(교신저자)가 주도하고 임윤지 석사과정생, 이건우 석사과정생이 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단·개인기초연구 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 재료과학 분야 최상위 저널인 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 온라인에 최근 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com