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

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 기사입력 : 2020년 01월 09일 09시 37분

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.



dair0411@gmail.com


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