“ESS 화재 문제 해결”…GIST, '무흐름 아연-브롬 배터리' 새 양극재 개발

흑연 펠트 양극의 브롬 산화환원 반응 역학 비교(왼쪽) 및 스캔 속도에 따른 가역성 평가.

광주과학기술원(GIST)은 박찬호 에너지융합대학원 교수팀이 무흐름 아연-브롬 수계 배터리의 양극용 탄소 집전체 기술을 개발, 화재 우려 없는 미래형 에너지저장장치(ESS) 개발을 기대할 수 있게 됐다고 22일 밝혔다.

배터리의 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더, 집전체로 구성돼 있으며 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 저렴하고 긴 수명이 장점이다.

하지만 충전 과정에서 브롬 크로스오버 현상에 의한 성능 저하 문제가 상용화에 걸림돌이었다. 이를 해결하기 위해 전해질 첨가제나 분리막 연구가 많이 진행되고 있으나 첨가제 기술은 전해질의 불균일한 분산 및 저항 증가 문제가 발생한다. 분리막 기술은 브롬 확산의 완벽한 차단이 어렵고 비용이 전체적으로 증가한다는 문제가 있었다.

흑연 펠트 양극별 단위 전지 평가 결과 비교.

ESS용 전극으로 실용화를 위해서는 단일 셀당 더 많은 활물질을 저장할 수 있는 전극 개발이 필수적이다. 이때 양극 소재에 요구되는 특성은 높은 용량과 고온 및 고전압에서의 구조 안전성이다.

연구팀은 질소를 도핑한 중형 다공성 탄소를 흑연 펠트(GF) 전극 전체에 균일하게 형성해 배터리의 성능 및 안정성을 높였다. 실용적인 무흐름 아연-브롬 수계 배터리 시스템용 양극으로 적용할 수 있도록 했다. 탄소 물질을 증발유도 자기조립 방법으로 두꺼운 GF 전체에 균일하게 도포해 구조·화학적 특성에 변화를 주는 양극을 만들었다.

왼쪽부터 박찬호 GIST 에너지융합대학원 교수, 조영인 석박사통합과정생, 김종경 박사, 김동희 석사.

1만 사이클 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 ESS의 개발을 앞당길 수 있을 것”이라며 “향후 리튬이온 배터리로 만들어진 현재 ESS의 화재 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 부상할 것으로 기대한다”고 말했다.

박 교수가 지도하고 조영인 통합과정생이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부 과학기술원 공동연구사업의 지원받아 이뤄졌다. 화학공학 분야 상위 3.5% 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널' 온라인에 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com

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