한국산 '물전지' 개발..日소재 안쓴다

황준호 입력 2020. 1. 8. 10:39 수정 2020. 1. 8. 10:53
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국내 연구진이 일본산 소재를 쓴 기존 리튬-이온 전지보다 강하고 오래가는 물 기반 이차전지를 개발했다.

KAIST는 김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀이 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다고 8일 밝혔다.

물 기반 아연-브롬 전지가 개발되면서 이차전지 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있게 됐다.

연구진은 전지의 전극에 멤브레인과 첨가제가 하던 역할을 부여하면서 물 기반 아연-브롬 전지를 상용화할 길을 열었다.

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[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 일본산 소재를 쓴 기존 리튬-이온 전지보다 강하고 오래가는 물 기반 이차전지를 개발했다.

KAIST는 김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀이 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다고 8일 밝혔다. 이 전지는 일본 등에 의존하던 값비싼 멤브레인 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 국산 전지다.

이차전지 일본 의존 막는다

물 기반 아연-브롬 전지가 개발되면서 이차전지 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있게 됐다. 최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장장치(ESS)가 주목받고 있다. 하지만 일본이나 미국에서 수입해야 하는 분리막이나 불소계 이온교환막을 사용하는 리튬-이온 전지가 ESS로 활용돼 왔다.

또한 이 전지는 리튬-이온전지의 가장 큰 단점이 발화의 위험을 원천 차단했다는 점도 강점이다. 지난 2017년부터 올해 10월까지 총 21건의 에너지저장장치 화재사고가 발생했다. 이로 인해 전체 에너지저장장치 시설 1490개 중 35%인 522개의 가동이 중단된 바 있다.

특히 이 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴하면서 1000사이클 이상 운전이 가능하다. 또 리튬-이온 전지의 83%에 해당하는 에너지 효율을 갖추고 있다.

나노기술을 활용한 물 기반 전지

연구진은 전지의 전극에 멤브레인과 첨가제가 하던 역할을 부여하면서 물 기반 아연-브롬 전지를 상용화할 길을 열었다. 연구진은 전극 표면을 질소가 삽입된 미세기공 구조로 짰다. 또 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 활용해 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했다. 이를 통해 멤브레인 등이 없어도 높은 에너지 효율을 낼 수 있는 전지를 개발할 수 있게 됐다.

기존에도 브롬을 포획하는 전해질 첨가제 및 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인에 대한 개발이 진행됐다. 하지만 상용화시 비용 증가 및 출력 저하의 문제점을 해결하기 어려운 상황이었다.

김상욱 교수는 "차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위한 나노소재 기술을 이용한 새로운 해결책을 제시했다"라고 말했다. 김희탁 교수는 "이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 에너지저장장치의 개발이 가속화되기를 기대한다"라고 말했다.

이주혁 박사과정과 변예린 박사후연구원이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 2019년12월 27일자 표지논문에 선정됐다.

이번 연구는 KAIST 나노융합연구소, 에너지클라우드 사업단, 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr

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