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ESS 화재 위험 줄인 새 이차전지 개발

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ESS 화재 위험 줄인 새 이차전지 개발

2020.01.08 12:19
김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수(왼쪽)와 김상욱 신소재공학과 교수 공동연구팀은 에너지저장장치(ESS)에 쓰이는 새로운 개념의 물 기반 아연 브롬 전지를 개발했다. KAIST 제공
김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수(왼쪽)와 김상욱 신소재공학과 교수 공동연구팀은 에너지저장장치(ESS)에 쓰이는 새로운 개념의 물 기반 아연 브롬 전지를 개발했다. KAIST 제공

신재생에너지의 전력을 저장하는 에너지저장장치(ESS)용 이차전지의 화재 위험을 줄이면서도 에너지효율은 유지하고 내구성도 유지하는 새로운 전지가 개발됐다.

 

김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수와 김상욱 신소재공학과 교수 공동연구팀은 에너지저장장치(ESS) 핵심 부품인 멤브레인을 쓰지 않고도 에너지효율 80% 이상을 유지하며 1000번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연 브롬 전지를 개발했다고 8일 밝혔다.

 

태양광과 풍력 등 신재생에너지는 불안정한 전력공급이 단점으로 꼽힌다. 이에 전기 에너지를 미리 저장했다 필요한 시간대에 쓰는 에너지저장장치(ESS)가 주목받는다. 리튬이온전지가 ESS용 이차전지로 주로 쓰이나 리튬은 전해액과 리튬계 소재가 발화 위험성을 갖고 있다. 2017년부터 지난해까지 21건의 ESS 화재사고가 나며 전체 ESS 시설 1490개 중 35%가 가동 중단되기도 했다.

 

때문에 물을 전해질로 써 화재걱정을 줄인 이차전지 기술이 ESS용 차세대 전지로 주목받고 있다. 이중 아연과 브롬을 활용하는 아연 브롬 레독스 흐름전지는 높은 구동전압과 에너지 밀도를 가져 1970년대부터 개발됐다. 이 전지는 브롬이 아연과 반응해 전지 수명이 줄어드는 문제가 있는데 이를 막기 위해 브롬을 빼는 펌프와 브롬 이동을 차단하는 멤브레인 등이 개발됐다. 하지만 펌프는 외부 배관이 부식되는 문제가 있었고 멤브레인은 미국과 일본이 기술을 선점해 가격이 비싸고 출력이 떨어지는 단점도 있다.

 

연구팀은 전해질 내 이온과 외부 전기회로 사이 전자를 주고받는 한정된 역할만 하던 전극에 브롬을 포획하는 기능을 추가한 새로운 전지를 개발했다. 질소가 들어간 미세기공 구조를 전극 표면에 도입해 극성을 띄지 않는 브롬을 극성 폴리브롬화물로 바꾸고 부착시키는 기술이다. 브롬을 빼낼 필요 없이 전극 내부에 저장하면서 전지의 수명이 줄어드는 것을 막는다. 연구팀은 “리튬이온전지보다 45배 싼 경제성을 가지고, 에너지 효율도 83%를 보였다”며 “1000회 이상 운전도 가능하다”고 설명했다.

 

김상욱 교수는 “차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위해 나노소재 기술로 새로운 해결책을 제시했다”고 말했다. 김희탁 교수는 “이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 ESS 개발이 가속화되기를 기대한다”고 말했다.

 

이주혁 KAIST 생명화학공학과 박사과정생과 변예린 신소재공학과 박사후연구원이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 지난달 27일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 표지논문으로 발표됐다.

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