미래 ESS 활용 기대…가격 경쟁력 그대로
광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김형진 에너지융합대학원 교수팀이 안정성이 높으면서도 값싼 무흐름 아연-브롬전지의 성능과 내구성을 크게 개선하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
무흐름 아연-브롬전지는 물에 기반한 전해질을 사용하기 때문에 발화 가능성이 없어 안전하다. 기존 전지에서 전해액 저장소와 펌프를 제거한 무흐름 방식으로 가격 경쟁력이 높다.
최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장장치(ESS)가 주목받고 있다. 하지만 리튬이온전지는 발화위험이 크다. 최근 발화위험이 없고 가격이 6분의 1 수준인 아연-브롬전지가 각광받고 있다.
하지만 아연-브롬전지는 충·방전과정에서 양극 전해액에 용해된 브롬이 음극으로 확산돼 전지성능이 감소하는 '브롬 크로스오버' 현상이 발생해 효율과 전압이 감소한다. 또 덴드라이트(금속 이온이 금속 전극 표면에 전착될 때 형성되는 나뭇가지 형태 결정체)가 생성돼 수명이 줄어드는 문제점이 있다. 특히 무흐름 아연-브롬전지는 브롬 크로스오버에 더욱 취약해서 성능과 수명이 더 빠르게 감소한다.
브롬과 착화물을 형성하고 덴드라이트 형성을 억제하는 브롬 착화제 연구가 이뤄지고 있으나 두 기능에 적절한 첨가제의 농도가 각각 달라 성능을 충분히 높이지 못하는 실정이었다.
김형진 교수팀은 소량만 첨가해도 무흐름 아연-브롬전지 성능과 내구성을 높일 수 있는 전해액 첨가제를 개발했다. 덴드라이트를 선택적으로 억제할 수 있는 전해액 첨가제를 브롬 착화제와 함께 사용해 브롬 크로스오버와 덴드라이트 형성을 동시에 억제하고 전지의 성능을 높였다.
금속이온으로 생성된 이 첨가제는 무흐름 아연-브롬 전지에 적용할 경우 높은 전류밀도에서 700회 이상, 낮은 전류밀도에서 1600회 이상 가동돼 기존보다 5배에서 7배까지 긴 수명을 보였다.
연구팀이 개발한 첨가제는 소량으로도 전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 가격이 저렴하고 쉽게 만들 수 있어 무흐름 아연-브롬 전지의 가격경쟁력을 유지할 수 있다. 상용화 가능성이 높아 향후 ESS에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
김형진 교수는 “이번 연구로 개발한 첨가제는 전지성능과 수명을 떨어뜨리는 원인을 매우 효과적으로 방지할 수 있다”며 “무흐름 아연-브롬전지 상용화를 앞당기고 미래 ESS 가격경쟁력을 확보하는 데 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.
김 교수가 주도하고 박형훈 박사과정생과 박금용 연구원이 참여한 이번 연구는 과기원 공동 연구 사업과 지스트 연구원의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과는 전기화학 분야의 국제학술지인 '저널 오브 파워 소스(Journal of Power Sources)'에 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
