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  • 기사등록 2021-01-13 12:00:04
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[기계신문] 에너지를 저장하는 장치로서 리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기와 대형 에너지 저장장치(ESS), 전기자동차 등에 널리 사용되어 왔다. 그러나 리튬 이온 배터리의 고질적인 단점인 폭발 위험성 때문에 이를 해결하기 위한 노력과 새로운 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.


해수전지는 리튬 이온 배터리를 대신할 수 있는 에너지 저장장치로 주목받고 있다. 해수전지는 지구 표면의 70%를 차지하는 해수 속 나트륨을 이용하기 때문에 화재의 위험이 없고 친환경적이며 생산 비용이 낮다.


고체전해질은 해수전지의 핵심 부품이다. 고체전해질은 나트륨이 포함된 음극을 물리적으로 해수와 분리하는 동시에 해수에 녹은 나트륨 이온을 선택적으로 통과시키는 중요한 역할을 하기 때문이다. 고체전해질은 높은 배터리 출력을 위해 이온 전도성이 좋아야 하며 전기화학적으로 안정해야 한다.


그런데 최근 고체전해질의 안정성을 규명한 연구결과가 연이어 발표됐다. UNIST 에너지화학공학과 이현욱·김영식, 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수 연구팀이 차세대 친환경 배터리인 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 정적·동적 안정성을 2건의 개별 연구를 통해 검증했다.



▲ (a) 높은 전류 밀도에서의 해수전지 충전 방전 그래프. (b) 해수전지가 충전되면 해수 부분과 접촉하고 있는 부분에서부터 H3O+ 이온의 농도가 증가한다. (c) 고체전해질의 내부 해수전지에 흐르는 전류밀도가 높을수록, 해수의 산성도가 높을수록 농도가 증가한다.



연구팀은 고체전해질 소재를 실제 해수전지에 쓰이는 ‘펠렛’(Pellet, 가루를 뭉친 얇은 덩어리) 형태로 제작한 뒤, 이를 바닷물에 노출시키거나 충·방전과 같은 동적 변화에 노출시켜 해수전지용 고체전해질의 안정성을 입증했다.


연구팀은 이번 연구를 통해 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 입증했을 뿐 아니라, 충·방전 상황에서 발생하는 전기화학적 반응을 밝혔다. 이는 향후 새로운 해수전지용 고체전해질 개발의 길잡이 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.


고체전해질은 바닷물로부터 전극을 보호하고 바닷물 속 나트륨 이온만을 선택적 통과시키는 ‘필터’ 역할을 하는 해수전지의 핵심부품이다. 하지만 아직까지 해수전지 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 살펴본 사례는 없었다.


연구 결과, 고체 전해질은 순수한 물(증류수)보다 오히려 다양한 이온이 공존하는 바닷물에서 더 안정한 것으로 나타났다. 이온 농도차로 인해 고체전해질 구성 성분이 밖으로 흘러나오는 반응이 억제된 것이다.



▲ (a) 해수전지의 개략적인 구조와 충전 방전 과정을 나타낸 모식도. (b, d)) 해수에서는 해수에 녹은 이온과 고체전해질 내부의 이온 사이에 치환 반응이 억제되어 구조적으로 안정적이다. (c, e) 반면 순수한 물에서는 치환 반응이 잘 일어나며 구조적으로 불안정해지고 잘 부서진다.



기존 고체전해질 소재의 경우 입자 형태로 존재할 경우 물에 녹는다고 알려졌는데, 이 분말을 압축해 만든 고체전해질이 바닷물에서는 안정하게 구동이 가능했던 이유다.


이와 더불어 연구팀은 해수전지가 충전과 방전을 하는 동적 상황에서 고체전해질과 해수면 사이에 일어나는 반응을 밝혔다. 전지의 안정성을 높이기 위해서는 각 구성 요소의 경계면에서 일어나는 여러 화학 반응과 그 원인을 밝히는 것이 중요하다.


이현욱 교수는 “이번 연구는 화학적으로 더 안정한 고체전해질을 개발하는 데 필요한 선행 연구로서 가치가 크다”면서 “해수전지에서 핵심적 역할을 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여, 더 오래 쓸 수 있는 해수전지를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 강조했다.


이번 연구는 해수전지에 사용되는 고체전해질 안정성과 신뢰도에 대해 살펴봄으로써 향후 화학적으로 더 안정적인 고체전해질을 개발하는데 크게 기여할 것으로 보인다.


소재의 성능을 향상시키기 위해 기존 소재의 문제점을 정확히 파악하고 문제의 원인을 해석하는 것이 중요하다. 그러므로 두 가지 관점에서 고체전해질의 계면에 대한 연구는 오랜 수명을 지녀야 할 해수전지를 개발하는데 일조할 것으로 보인다.


한편, 두 논문의 공동 1저자인 이찬희 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 현재 한국에너지기술평가원에서 제공하는 ‘글로벌 혁신 인재 양성 프로그램’을 통해  미국 조지아 공과대학에서 연구를 진행하고 있다. 이번 연구는 이찬희 연구원이 매튜맥도웰(Matthew McDowell) 조지아 공과대학 기계공학과 교수와 협업으로 이룬 성과다.


연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’와 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)’에 각각 지난해 10월 1일과 12월 29일에 게재됐으며, 연구 수행은 한국연구재단, 한국에너지기술평가원 등의 지원으로 이뤄졌다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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