물 전지 개발, 물 기반 아연 브롬 전지

■ 물 전지 개발, 물 기반 아연 브롬 전지

● 멤브레인(membrane) 필요 없는 '물 기반 전지' 개발
● 폭발 위험 전혀 없고, 리튬 전지 대비 가격 45배 저렴

국내 연구진이 일본산 소재를 쓴 기존 리튬 이온 전지 보다 강하고 오래가는 물 기반 아연 브롬 전지를 개발했다. KAIST는 김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀이 새로운 물 기반 아연 브롬 전지를 개발했다고 2020년 01월 08일 밝혔다. 이 전지는 일본 등에 의존하던 값비싼 멤브레인(membrane) 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 새로운 국산 전지이다.
 
물 기반 아연 브롬 전지가 개발되면서 이차 전지 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있게 됐다. 최근 태양광, 풍력 등 신재 생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS)가 주목받고 있다. 하지만, 일본이나 미국에서 수입해야 하는 분리막이나 불소계 이온 교환막을 사용하는 리튬 이온 전지가 ESS로 활용되어 왔다.

또한 이 전지는 리튬 이온 전지의 가장 큰 단점이 발화(ignition)의 위험을 원천 차단했다는 점도 강점이다. 2017년부터 2019년 10월까지 총 21건의 에너지 저장 장치 화재 사고가 발생했다. 이로 인해 전체 에너지 저장 장치 시설 1,490개 중 35%인 522개의 가동이 중단된 바 있다. 특히, 이 전지는 리튬 이온 전지 보다 45배 저렴하면서 1,000 사이클 이상 운전이 가능하다. 또한, 리튬 이온 전지의 83%에 해당하는 에너지 효율을 갖추고 있다.
 
연구진은 전지의 전극에 멤브레인(membrane)과 첨가제가 하던 역할을 부여하면서 물 기반 아연 브롬 전지를 상용화할 길을 열었다. 연구진은 전극 표면을 질소가 삽입된 미세 기공 구조로 짰다. 또한 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자 쌍극자 상호 작용을 활용해서 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했다. 이를 통해 멤브레인(membrane) 등이 없어도 높은 에너지 효율을 낼 수 있는 전지를 개발할 수 있게 됐다.

기존에도 브롬을 포획하는 전해질 첨가제 및 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인(membrane)에 대한 개발이 진행됐다. 하지만, 상용화시 비용 증가 및 출력 저하의 문제점을 해결하기 어려운 상황이었다.

김상욱 교수는 "차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위한 나노 소재 기술을 이용한 새로운 해결책을 제시했다"라고 말했다. 김희탁 교수는 "이번 연구를 통해 기존 보다 안전하고, 경제적인 에너지 저장 장치의 개발이 가속화되기를 기대한다"라고 말했다.

이주혁 박사 과정과 변예린 박사후 연구원이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 2019년 12월 27일자 표지 논문에 선정됐다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소, 에너지클라우드 사업단, 과학기술정보통신부 리더연구자 지원사업인 다차원 나노 조립 제어 창의 연구단의 지원을 받아 수행됐다.