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KAIST, 리튬전지 대비 45배 저렴한 ‘물 기반 아연-브롬 전지’ 개발

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2020-01-09 10:11

전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지를 개발한 카이스트 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 신소재공학과 김상욱 교수팀 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’에 2019년 12월 27일 게재됐다.(자료출처=어드밴스드 머티리얼즈)

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수와 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다고 9일 밝혔다.

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

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

이러한 이유로 물을 전해질로 사용한 비 발화성 물 기반 이차전지 기술이 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있다.

특히 다양한 물 기반 전지 기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 높은 구동 전압 및 높은 에너지 밀도를 가져 그동안 개발돼 왔다.

그러나 아연-브롬 레독스 전지는 브롬이 아연과 반응해 전지 수명을 단축시키는 문제로 인해 상용화가 지연되어 왔고 브롬을 포획하는 전해질 첨가제 및 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인에 대한 개발이 진행됐으나 가격증가 및 출력 저하의 문제점이 발생했다.

이번 공동 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 일본, 미국에 의존하던 값비싼 멤브레인 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다.
 
전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지를 개발한 카이스트 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 신소재공학과 김상욱 교수팀 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’에 2019년 12월 27일 게재됐다.(자료출처=어드밴스드 머티리얼즈)

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

또 질소가 삽입된 미세기공 구조를 전극 표면에 도입해 미세기공 내부에서 비극성 브롬을 극성 폴리브롬화물로 전환한 뒤, 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 통해 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했다.
 
이를 통해 멤브레인의 기능을 전극이 담당해 고가의 멤브레인이 필요가 없으며 브롬을 외부 탱크가 아닌 전극 내부에 저장함으로써 펌프와 배관을 제거할 수 있어서 가격을 저감하고 에너지 효율을 증대했다.

이 연구결과에 의하면 연구팀이 개발한 다기능성 전극을 이용한 멤브레인을 사용하지 않는 물 기반의 아연-브롬 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴할 뿐 아니라 에너지 효율 83% 이상과 1천 사이클 이상 운전이 가능하다.

이 연구는 KAIST 나노융합연구소, 에너지클라우드 사업단, 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐고 이주혁 박사과정과 변예린 박사후연구원이 공동 1저자로 참여한 연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’에 2019년 12월 27일 게재됐다.



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