충·방전 5000번도 끄떡없는 대용량 이차전지 나온다

광주과기원, 아연-브롬 배터리용 전해질 성분 개발
배터리 성능 떨어뜨리는 결정체, 수소 발생 억제

SK E&S의 미국 텍사스주에 운영 중인 ESS 설비./SK E&S 제공

국내 연구진이 에너지저장장치(ESS)에 주로 활용되는 아연-브롬 이차전지의 성능을 높이는 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 배터리는 충·방전 5000번에도 에너지 효율을 유지해 고용량 ESS 제작에 활용될 것으로 보인다.

김상륜 광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 교수 연구팀은 아연-브롬 배터리에 사용할 세륨·염소 기반 전해질 첨가제를 개발했다고 17일 밝혔다.

아연과 브롬을 전극으로 사용하는 아연-브롬 배터리는 안정성이 높고 에너지 밀도가 높아 ESS 차세대 이차전지로 주목 받는다. 물을 전해액으로 사용해 폭발 위험도 없다. 하지만 아연 음극에서 수지상 성장과 수소 발생 같은 문제가 생겨 안정된 구동을 유지하는 데 어려움이 있다. 수지상은 금속 전극 표면에서 나뭇가지처럼 자라나는 결정체로, 배터리 효율을 떨어트리는 원인이 된다.

연구팀은 아연금속 음극의 불안정성을 해결하기 위해 전해질에 염화세륨 첨가제를 넣었다. 염화세륨의 세륨 양이온과 염소 음이온을 동시에 사용하는 방법이다. 충전 과정 중 세륨 양이온은 전기장이 강한 아연 음극 돌출부에 결합해 수지상 성장을 억제한다. 염소 음이온은 아연 이온과 결합해 물 분해를 억제해 수소 발생을 줄였다.

김상륜 광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 교수 연구팀이 개발한 '아연-브롬 배터리' 염화세슘 전해질 첨가제 개념도./GIST

연구팀이 개발한 전해질 첨가제를 적용한 결과, 아연-브롬 배터리는 충·방전 2000회 이후에도 에너지 효율이 기존의 70.3%로 유지됐다. 이는 첨가제가 없는 아연-브롬 배터리보다 52.9% 향상된 수치다. 특히 대면적 아연-브롬 배터리에 첨가제를 넣자 충·방전 5000회에도 기존의 92.3%에 달하는 ‘쿨롱(Coulomb) 효율’을 보였다. 쿨롱효율은 배터리의 열화가 느리게 진행돼 수명이 길다는 것을 나타내는 지표다.

김상륜 교수는 “이번 연구는 아연-브롬 배터리 전해질 설계의 실용적 가이드라인을 제시하고, 전극 안정화 전략에 대한 이해를 증진하는 데 도움 될 것으로 보인다”며 “고성능·고안정 ESS 개발에 적용할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국에너지기술평가원의 지원을 받았다. 연구결과는 재료 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 지난달 7일 온라인 게재됐다.

참고 자료

Small(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202401916

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -