한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 가장 오래가는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.
현재 대부분 에너지저장시스템(ESS)은 값이 저렴한 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 태생적인 발화로 인한 화재 위험성으로 대용량에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다.
김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 `표면 확산(Surface diffusion)'을 통한 `자가 응집(Self-agglomeration)' 현상이 발생한다는 사실에 주목하고 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다.
덴드라이트는 아연 이온이 환원돼 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로 전지 수명 단축 주요 원인으로 지적된다.
연구팀은 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실을 발견했다.
이와 함께 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다.
김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과”라며 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 `Energy and Environmental Science' 표지논문에 선정됐다.
