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ESS 화재 오명 극복할 배터리 기술 나왔다

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ESS 화재 오명 극복할 배터리 기술 나왔다

2020.10.05 13:00
김희탁 KAIST 교수. KAIST 제공.
김희탁 KAIST 교수. KAIST 제공.

신재생에너지의 중요성이 강조되면서 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) 기술에 대한 관심도 높아지고 있다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지는 전기에너지를 생산하는 데 시공간적 제약이 있어 발전한 전기에너지를 저장해 필요할 때 사용해야 하기 때문이다. 

 

기존 ESS에는 휴대전화나 전기차 등에 쓰이는 리튬이온전지 기술이 쓰인다. 그러나 리튬이온전지는 화재 위험성 때문에 대용량 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적이 제기됐다. 실제로 2017년부터 2019년까지 2년간 국내에서 리튬이온전지로 인해 발생한 ESS 화재사고는 33건에 달한다. 

 

KAIST는 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 ‘수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지’ 개발에 성공했다고 5일 밝혔다. 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결해 전세계에서 보고된 레독스 흐름 전지 가운데 수명이 가장 긴 전지로 평가된다. 연구결과는 국제학술지 ‘에너지와 환경 과학’ 표지논문으로 선정됐다. 

 

배터리 과열 현상을 차단하고 화재 위험을 낮추기 위한 기술로 물(수계)을 전해질로 활용하는 레독스 흐름 전지가 주목받고 있다. 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여 외부 탱크에 저장한 뒤 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 화물질이 산화·환원 반응을 일으키며 에너지를 저장하는 전지다. 

 

레독스 흐름 전지 중 값싼 브롬화 아연을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지에 비해 구동 전압과 에너지 밀도를 높일 수 있어 1970년대부터 ESS용으로 개발됐다. 

 

문제는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 아연 음극이 수명이 짧아 상용화가 지연되고 있다는 점이다. 특히 아연 음극은 충방전 과정에서 불균일하고 비정상적인 나뭇가지 형태의 결정 ‘덴드라이트’가 형성돼 전지 수명을 단축시키는 문제가 있었다. 

 

아연-브롬 레독스 흐름 전지의 아연 음극에 덴드라이트가 왜 생기는지에 대해 명확하게 규명되지 않았다. 전문가들은 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 추정하고 있다. 문제 해결을 위한 기술 개발 경쟁이 진행됐지만 충분한 수명 향상 기술이 아직 확보되지 못했다.

 

김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 ‘표면 확산’을 통한 ‘자가 응집’ 현상이 발생한다는 사실에 주목했다. 양자역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인이라는 사실을 규명하는 데 성공했다. 

 

연구팀은 또 특정 탄소결함구조에서 아연 핵의 표면 확산이 억제돼 덴드라이트가 생성되지 않는 사실도 알아냈다. 탄소 원자 1개가 제거된 탄소결함구조에서는 아연 핵과 전자를 교환하며 표면 확산이 억제되고 균일한 핵 생성이 가능해졌다. 

 

연구팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해 리튬이온전지의 30배에 달하는 충방전 전류밀도에서 5000사이클 이상의 수명을 구현하는 데 성공했다. 

 

김희탁 교수는 “차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 의미”라며 “신재생에너지 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 말했다. 
 

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