자가방전 억제·충방전 성능↑…차세대 배터리 양극재 개발

- GIST 연구팀, 무흐름 아연-브롬 수계 배터리
- 충‧방전 효율 96%, 에너지 효율 76.6% 달성

이번 연구를 수행한 GIST 연구팀. 박찬호(왼쪽부터) 교수, 조영인 석박사통합과정, 김종경 박사, 김동희 석사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 배터리로 주목받는 무흐름 아연-브롬 수계 배터리의 고질적 단점인 성능 저하를 극복한 기술이 개발됐다. 고성능과 안정성을 겸비한 실용적인 에너지저장장치(ESS) 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 에너지융합대학원 박찬호 교수 연구팀이 무흐름 아연-브롬 수계 배터리의 양극용 탄소 집전체 기술을 개발했다고 밝혔다.

집전체란 약 10㎛(마이크로미터) 두께의 막을 지칭하는 것으로, 배터리를 충·방전할 때 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 반대로 활물질에서 내보내는 역할을 한다.

배터리의 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더, 집전체로 구성되며, 배터리의 용량을 결정한다.

무흐름 아연-브롬 수계 배터리는 아연과 브롬의 산화환원 반응을 활용해 에너지를 저장하는 장치이다. 물에 기반한 전해질 사용으로 발화 가능성이 없으며, 기존 전지에서 전해액 저장소와 펌프를 제거한 ‘무흐름’ 방식으로 제작 비용이 저렴하며 긴 수명이 장점이다.

그러나 충전 과정 중 브롬 크로스오버(crossover)* 현상에 의한 성능 저하 문제가 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

이러한 성능 감소 현상을 해결하기 위해 전해질 첨가제나 분리막 연구가 많이 진행되고 있으나 첨가제 기술은 전해질의 불균일한 분산 및 저항 증가 문제가 발생하고, 분리막 기술은 브롬 확산의 완벽한 차단이 어렵고 비용이 전체적으로 증가한다는 문제가 있다.

또한 에너지저장장치(ESS)용 전극으로 실용화를 위해서는 단일 셀당 더 많은 활물질을 저장할 수 있는 전극 개발이 필수적이며, 이때 양극 소재에 요구되는 특성은 높은 용량과, 고온 및 고전압에서의 구조 안전성이다.

연구팀은 질소가 도핑된 중형 다공성 탄소를 흑연펠트(Graphite Felt, GF) 전극 전체에 균일하게 형성하여 배터리의 성능 및 안정성을 높였으며, 실용적인 무흐름 아연-브롬 수계 배터리 시스템용 양극으로 적용할 수 있게 했다.

나아가 이 탄소 물질을 증발유도 자기조립 방법으로 두꺼운 GF 전체에 균일하게 도포하여 구조적, 화학적 특성에 변화를 주는 양극을 만들었다.

이번에 개발된 탄소 물질은 3~5nm의 안정적인 중형 기공을 형성하고 적정한 산소와 질소 함량으로 흑연 펠트 양극의 수용액에 대한 친화도를 높였으며, 충전 과정에서 생성된 브롬 및 브롬 접합체를 저장‧흡착하여 브롬 크로스오버 현상을 억제하고 안정적인 충‧방전 과정에서 우수한 산화/환원 반응 역학을 나타났다.

10000사이클 이상의 장기적인 배터리 운용 평가에서 평균 충‧방전 효율 96%, 에너지 효율 76.6%라는 우수한 셀 성능과 전례 없는 내구성을 보이며 양극으로의 활용 가능성을 확인했다.

박찬호 교수는 “이번 연구 성과를 통해 경제적인 무흐름 수계 배터리로 만들어진 실용적인 에너지저장장치(ESS)의 개발을 앞당길 수 있을 것”이라며 “향후 리튬이온 배터리로 만들어진 현재 ESS의 화재 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 부상할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 4월 22일 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com