GIST, 수계·유기계 장점 취한 차세대 전해질 개발
유승준 연구팀, 세계최고 ‘무흐름 아연-브롬 전지
대형화와 실용화 ESS용 에너지저장 장치에 활용

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 유승준 교수 연구팀이 폭발·화재 위험 없는 세계 최고 수준의 성능과 효율성을 가진 ’무흐름 아연-브롬 전지‘를 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 브롬과 고체 착화물을 형성하면서 교차확산을 억제하고 덴드라이트 형성도 차단할 수 있는 다기능성 ’브롬 착화제‘를 활용하여 양극과 음극의 문제를 동시에 해결했다.

연구팀은 다양한 물 기반 전지 기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 전지는 높은 구동 전압과 에너지 밀도를 갖고 있어 1970년대부터 지속적으로 개발돼 왔다.

특히 ‘무흐름 아연-브롬 전지’는 기존 레독스 흐름 아연-브롬 전지 구동에서 반드시 필요한 전해질 저장소와 펌프를 제거해 구조를 단순화한 셀 구조를 통해 가격 경쟁력을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

반면, 아연-브롬 전지는 음극에서 아연 금속과 수계 전해질 간의 계면 에너지가 불안정하기 때문에 덴드라이트와 물 분해 반응에 따른 부산물이 발생한다는 치명적인 단점이 있다. 또 양극에서는 브롬의 교차확산에 의한 자가 방전이 발생해 효율성이 떨어져 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 브롬과 고체 착화물을 형성하면서 교차확산을 억제하고 덴드라이트 형성도 차단할 수 있는 다기능성 ‘브롬 착화제’를 활용해 양극과 음극의 문제를 동시에 해결하는 전략을 제시했다.

연구팀은 용해도 문제를 해결하기 위해 아연 이온의 양을 기존보다 3배로 늘리고 수분 함량을 30%로 최적화한 수화된 깊은 공융 용매 전해질을 개발했다.이번 연구에서 개발된 전해질은 음극의 경우 아연 금속 표면에 물의 부반응을 막을 수 있는 소수성 보호층을 형성해 덴드라이트 형성을 억제하는 데 성공했다. 또 양극에서는 브롬의 상변화를 통하여 교차확산이 억제되는 것을 확인했고, 이로 인해 셀의 자가 방전을 억제하는 데 성공했다.

결과적으로 연구팀은 고용량(297 mAh/g)으로 1만사이클 이상 안정적으로 충방전이 가능한 차세대 아연-브롬 전지를 개발하는 데 성공했다.

유승준 교수는 “이번 연구에서 개발한 차세대 전해질은 저렴하고 제조가 용이, 대용량화에 적합하기 때문에 상용화를 통해 향후 에너지 저장 장치에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.