폭발 없는 차세대 배터리가 1만번 충방전에도 끄떡없다

GIST, 무흐름 아연-브롬 수계 배터리 양극재 개발
1만번 이상 실험서 충방전 효율 96% 에너지효율 76%
비용 저렴하고 고성능·안정성 겸비해 실용적 ESS 유망

광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 박찬호 교수팀이 무흐름 아연-브롬 배터리의 싱글셀을 테스트하고 있다. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 박찬호 교수팀이 폭발 위험이 없는 무흐름 아연-브롬 수계 배터리의 양극재를 개발했다. 이 양극재는 1만번 이상 충방전 테스트에서도 평균 충방전 효율이 96%의 우수한 성능을 보였으며, 에너지 효율도 76.6%에 달해 내구성도 뛰어나다.

이번에 개발한 기술은 차세대 배터리로 주목받는 무흐름 아연-브롬 수계 배터리의 고질적 단점인 성능 저하를 극복한 것으로, 고성능과 안정성을 겸비한 실용적인 에너지저장장치(ESS) 개발을 앞당길 것으로 보인다.

22일 GIST에 따르면, 배터리의 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더, 집전체로 구성되며, 배터리의 용량을 결정한다.

무흐름 아연-브롬 수계 배터리는 아연과 브롬이 반응하면서 에너지를 저장한다. 전해질이 물에 기반한 것으로 발화 가능성이 없으며, 기존 배터리에서 전해액 저장소와 펌프를 제거한 '무흐름' 방식으로 제작돼 비용이 저렴하며 긴 수명이 장점이다. 하지만 충전 과정 중 자가방전 반응이 일어나는 브롬 크로스오버 현상에 의한 성능 저하가 문제다.

연구진은 질소가 첨가된 중형 다공성 탄소를 흑연 펠트(GF) 전극 전체에 균일하게 형성해 배터리의 성능 및 안정성을 높였다. 이를통해 실용적인 무흐름 아연-브롬 수계 배터리 시스템용 양극으로 적용할 수 있게 했다.

또한 이 탄소 물질을 유기용매를 천천히 증발시키는 증발유도 자기조립 방법으로 두꺼운 흑연 펠트 전체에 균일하게 발라 구조적, 화학적 특성에 변화를 주는 양극을 만들었다.

이렇게 만든 탄소 물질은 3~5nm(나노미터)의 안정적인 중형 기공이 만들어졌다. 또 적정한 산소와 질소 함량으로 흑연 펠트 양극의 수용액에 대한 친화도를 높아졌다. 이와함께 충전 과정에서 생성된 브롬 및 브롬 접합체를 저장·흡착해 브롬 크로스오버 현상을 억제하고 안정적인 충방전 과정에서 우수한 산화·환원 반응이 일어났다.

박찬호 교수는 "향후 리튬이온 배터리로 만들어진 현재 ESS의 화재 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 부상할 것"이라고 말했다.

한편, 박찬호 교수가 지도하고 조영인 통합과정생이 수행해 개발한 양극재는 화학공학 분야 상위 3.5% 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 발표됐다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자