폭발·화재 위험 없고, 1만회 이상 충방전..`차세대 전지` 나온다

GIST, 수계와 유기계 장점 갖춘 '차세대 전해질'
자가방전 억제해 대용량 고성능 전지 활용 가능

유승즌 GIST 교수(왼쪽부터), 임윤지 석사과정생, 이건우 석사과정생

폭발과 화재 위험 없는 대용량·고성능의 수계 전지가 개발됐다. 1만 사이클 이상 안정적으로 충·방전이 가능하고, 저렴하게 제조할 수 있어 차세대 아연-브롬 전지 상용화에 한 발 다가섰다는 평가다.

광주과학기술원(GIST)은 유승준 신소재공학부 교수 연구팀이 수계와 유기계 전해질의 장점을 모두 갖춘 차세대 전해질을 이용해 세계 최고 수준의 성능과 효율을 지닌 '무흐름 아연-브롬 전지'를 개발했다고 28일 밝혔다.

다양한 물 기반 전지 기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 '아연-브롬 전지'는 높은 구동 전압과 에너지 밀도를 가져 1970년대부터 지속적으로 개발돼 왔다. 활물질은 양극과 음극에서 화학적으로 반응해 전기에너지를 생성하는 활성물질을 뜻한다.

이 가운데 무흐름 아연-흐름 전지는 기존 레독스 흐름 아연-브롬 전지 구동에 필요한 전해질 저장소와 펌프를 제거해 셀 구조를 단순화해 가격 경쟁력을 갖고 있다.

반면 아연-브롬 전지는 음극에서 아연 금속과 수계 전해질 간 계면에너지가 불안정해 덴트라이트(금속 이온이 금속 전극 표면에 나뭇가지 모양으로 형성되는 결정체)와 물 분해 반응에 따른 부산물이 생기는 단점이 있다. 또한 양극에서는 브롬의 교차 확산으로 자가 방전이 발생해 효율이 떨어져 상용화에 어려움이 있다.

연구팀은 브롬의 교차 확산을 억제하고, 덴드라이트 형성도 차단하는 '다기능성 브롬 착화제'를 활용해 아연-브롬 전지의 양극과 음극이 가진 문제를 해결했다. 용해도가 낮은 브롬 착화제에 아연 이온의 양을 3배 늘리고 수분 함량을 30% 최적화한 '용매 전해질'을 개발했다.

개발된 전해질은 음극의 경우 아연 금속 표면에 물의 부반응을 막을 수 있는 소수성 보호층을 형성해 덴트라이트 형성을 억제했다. 양극에서는 브롬의 상변화를 통해 교차 확산을 억제해 셀의 자가 방전을 막았다.

연구팀을 이를 기반으로 1만 사이클 이상 안정적으로 충방전이 가능한 차세대 아연-브롬 전지를 구현하는 데 성공했다.

유승준 GIST 교수는 "기존 수계 전해질의 장점은 유지하면서 낮은 효율성의 단점을 보완해 향후 다양한 금속 전극 기반 전지에 활용할 수 있을 것"이라며 "값싸고 제조가 쉬운 장점을 활용하면 에너지저장시스템(ESS)용 전지개발에 도움이 될 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(지난 12일)' 온라인에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr