국내 연구진 일냈다…폭발無·세계 최장수명 'ESS 전지' 개발

ESS, 태양광·풍력 생산 전기 대용량 저장시 필요
정부, 신재생에너지 활용 정책에 쓰일 듯

덴드라이트 형성 억제 기술 모식도 [자료=KAIST 제공]

국내 연구진이 에너지저장시스템(ESS)에 쓰이는 리튬이온 배터리의 폭발 위험성을 보완한 새로운 배터리 개발에 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 수명을 크게 개선한 '수계 아연브롬 레독스 흐름 전지'를 개발했다고 5일 밝혔다.

ESS는 태양광과 풍력 등으로 생산한 전기를 대용량 저장해 필요할 때 내보내는 장치로, 정부의 신재생에너지 확대 정책에 필요한 설비다.

대부분의 ESS는 값이 저렴한 리튬이온전지를 기반으로 하고 있지만 최근엔 잇단 화재로 안전성 우려가 제기되는 상황이다. 실제로 2017년부터 지난해까지 국내에서 발생한 리튬이온전지로 인한 ESS 화재 사고가 33건, 손해액은 7000억원에 달한다.

이로 인해 최근 배터리 과열 현상을 원천 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 레독스 흐름 전지가 주목받고 있다.

특히 브롬화 아연을 활물질로 이용한 아연 브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지보다 에너지 밀도가 높으면서도 가격이 저렴해 1970년대부터 ESS용으로 개발됐다.

하지만 아연 음극의 짧은 수명 때문에 상용화에 한계가 있었다. 아연 금속이 충·방전되는 과정에서 표면에 나뭇가지 형태 결정인 덴드라이트가 형성되면서 전지 내부 단락을 일으켜 수명을 단축하는 것으로 나타났다.

덴드라이트 형성 기제는 알려지지 않았지만 충전 초기 전극 표면에 생기는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 보고 있다.

연구팀은 양자 역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 밝혔다.

또 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않는다는 사실도 규명했다.

김희탁 카이스트 교수 [사진=카이스트 제공]

김희탁 교수팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다.

이는 지금까지 전 세계에서 보고된 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 연구결과 중 가장 뛰어난 수명성능이라고 연구팀은 설명했다.

김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시했다"며 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다.

강경주 한경닷컴 기자 qurasoha@hankyung.com