멤브레인 없이 에너지 효율 80% 유지하는 '물 기반 전지'
멤브레인 없이 에너지 효율 80% 유지하는 '물 기반 전지'
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.15 02:15
  • 조회수 5611
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요약

 

전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지가 개발됐습니다. 연구팀이 개발한 다기능성 전극을 이용한 멤브레인을 사용하지 않는 물기반의 아연-브롬 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴하다고 합니다. 이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 에너지 저장장치의 개발이 가속화될 전망입니다.

물 기반의 전지 개발. 출처: AdobeStock
물 기반의 전지 개발. 출처: AdobeStock

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수와 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 새로운 물 기반의 전지를 개발했습니다. 전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지라고 합니다. 

 

  • 멤브레인

전지 내부에서 음극 활물질과 양극 활물질을 분리시켜 전지가 자가 발전을 일으키지 않도록 해주는 소재입니다. 

이번 연구를 통해 일본, 미국의 수입에 의존해 온 다공성 분리막이나 불소계 이온교환막을 사용하지 않는 기술로 해당 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있을 전망입니다. 이번 연구는 국제학술이 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)에 게재됐습니다. 

 

물 기반의 이차전지, 리튬이온전지 대체할 수 있나

 

최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장장치(ESS)가 주목받고 있습니다.

에너지 저장장치, 뭐로 만들어야 할까? 출처: AdobeStock
에너지 저장장치, 뭐로 만들어야 할까? 출처: AdobeStock

현재는 리튬이온전지가 에너지저장장치용 이차전지로 사용되고 있으나 발화성 유기 전해액 및 리튬계 소재로 인한 발화의 위험성을 지니고 있습니다. 지난 2017년부터 올해 10월까지 총 21건의 에너지저장장치 화재사고가 발생했으며 전체 에너지저장장치 시설 1천 490개 중 35%인 522개의 가동이 중단되기도 했습니다. 

 

이러한 이유로 물을 전해질로 사용한 비 발화성 물 기반의 이차전지 기술이 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있습니다. 특히 다양한 물 기반 전지기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 높은 구동 전압 및 높은 에너지 밀도를 가져 1970년대부터 지속해서 개발돼 왔습니다. 

 

그러나 아연-브롬 레독스 전지는 브롬이 아연과 반응해 전지 수명을 단축시키는 문제로 인해 상용화가 지연됐습니다. 이러한 반응을 억제하기 위해 펌프를 이용해 브롬이 함유된 전해질을 외부 탱크로 이송해왔으나 이는 펌프 구동을 위한 에너지 소모와 브롬에 의한 외부 배관 부식문제 등이 동반됐습니다. 브롬을 포획하는 전해질 첨가제와 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인에 대한 개발이 진행됐으녀 가격증가 및 출력 저하의 문제점이 발생했습니다. 

 

멤브레인 없이도 작동하는 아연-브롬 전지

 

김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀은 일본, 미국에 의존하던 값비싼 멤브레인 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했습니다. 

브롬 활물질을 전극내부에서 폴리브롬화물로 전환하여 저장하는 다기능성 전극의 메커니즘의 모식도와 멤브레인을 장착하지 않고 구동되는 전지의 실제 모습. 출처: KAIST
브롬 활물질을 전극내부에서 폴리브롬화물로 전환하여 저장하는 다기능성 전극의 메커니즘의 모식도와 멤브레인을 장착하지 않고 구동되는 전지의 실제 모습. 출처: KAIST

전해질 내의 이온과 외부 전기회로 사이의 전자를 주고받는 한정된 역할만 수행하던 전극의 기능에 멤브레인과 첨가제가 담당하던 브롬을 포획할 수 있는 기능을 추가했습니다. 

질소가 도핑된 미세기공이 코팅된 다기능성 전극의 제조 과정. 출처: KAIST
질소가 도핑된 미세기공이 코팅된 다기능성 전극의 제조 과정. 출처: KAIST

질소가 삽입된 미세 기공 구조를 전극 표면에 도입해 미세기공 내부에서 비극성 브롬을 극성 폴리브롬화물로 전환한 뒤 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 통해 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했습니다. 

 

이 기술은 멤브레인의 기능을 전극이 담당하므로 고가의 멤브레인이 필요 없으며 브롬을 외부 탱크가 아닌 전극 내부에 저장함으로써 펌프 및 배관을 제거할 수 있어 가격 저감 및 에너지 효율을 증대했습니다. 

 

연구팀이 개발한 다기능성 전극을 이용한 멤브레인을 사용하지 않는 물기반의 아연-브롬 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴할 뿐 아니라 에너지 효율 83% 이상을 보이며 1천 사이클 이상의 운전이 가능합니다.

김희탁교수와 김상욱 교수. 출처:KAIST
출처: KAIST

김상욱 교수는 "차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위한 나노소재 기술을 이용한 새로운 해결책을 제시했다"라고 전했습니다. 김희탁 교수는 "이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 에너지 저장장치의 개발이 가속화 되기를 기대한다"고 밝혔습니다. 

 

 


##참고자료#

 

 


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