광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 유승준 교수 연구팀이 차세대 전해질을 이용해 세계 최고 수준의 성능과 효율성을 가진 ‘무흐름 아연-브롬 전지’를 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀에 따르면 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 기존 수계 전해질의 장점인 친환경, 저비용, 비발화성을 유지하면서 낮은 효율성, 메탈전극과 물의 부반응 등 단점은 보완함으로써 향후 다양한 금속 전극 기반 전지에 전해질로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”며 “간단한 제조공정의 장점을 활용해 대형화 및 실용화 ESS용 전지 기술 개발에 도움이 될 것”이라고 강조했다.

유 교수가 주도하고, 임윤지 석사과정생, 이건우 석사과정생이 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단, 개인기초연구 사업의 지원을 받았으며, 재료과학 분야 최상위 저널인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 지난 12일 온라인 게재됐다.