월간전기

전기자동차의 수요와 친환경 에너지에 대한 요구가 커지면서 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)의 수요도 급격하게 늘고 있다. 이에 따라 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 수명을 연장하기 위한 기술에 관심이 모아지고 있다.

신재생 에너지의 발전과 함께 이를 통해 생산된 에너지를 효율적이고 안전하게 저장할 수 있는 대용량 에너지저장장치의 필요성이 커지고 있다. 이번에 소개하는 신기술 가운데 한국과학기술원(KAIST)이 발표한 ‘바나듐레독스-흐름전지’는 리튬이온전지 등 이차전지가 갖고 있는 단점 가운데 폭발의 위험성이 없으면서도 대용량 에너지 저장장치로 활용할 수 있다는 가능성을 갖고 있다.

또한, 에너지 저장 기술로 ‘수소’에 대한 관심도 높아지고 있다. 물을 분해해 수소를 생산하는 ‘가역연료전지’ 역시 대용량 에너지 저장에 응용될 수 있는 장치이다. 가역연료전지의 성능은 산소극에서 산소 발생 및 환원 반응을 촉진하는 촉매의 활성과 내구성에 의해 좌우된다. 그러나 가격이 매우 비싼 백금이나 이리듐 등과 같은 백금계 귀금속이 촉매로 사용돼 상용화의 어려움이 있었다. 이러한 소재는 비용뿐만 아니라, 장기적으로 안정성 측면에도 단점이 있는 것으로 알려져 있다. 울산과학기술원(UNIST)과 세종대학교 연구진이 개발한 ‘삼중층 페로브스카이트 구조의 산소극 촉매’ 소재는 가역연료전지의 이러한 단점을 보완해줄 것으로 기대를 모으고 있다.

한편, 전기자동차가 상용되면서 자동차에 전기 에너지를 충전하고 저장하는 기술에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 하지만 현재 전기자동차의 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 낮은 에너지밀도로 인해 1회 충전 당 주행 거리가 짧고, 폭발의 위험성이 상존하는 문제가 있다. 이를 보완하기 위한 기술이 리튬황전지이다. 그러나 리튬황전지 역시 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 인해 전지의 사이클 수명이 짧은 단점이 있다. KAIST 연구진이 개발한 ‘도넛 모양 활물질 구조의 리튬황이온전지’는 이러한 문제를 획기적으로 보완해주는 기술이다.

기존의 바나듐레독스 -흐름전지는 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충·방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 낮은 활물질 투과도를 갖는 탄화수소계 분리막을 적용시키고자 했지만 활물질인 바나듐5가 이온에 의해 열화 현상이 발생하고 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다. 따라서 활물질인 바나듐 이온의 크기보다는 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 갖는 분리막 개발의 필요성이 커지고 있다.

KAIST ‘차세대배터리센터’의 정희태, 김희탁 교수의 공동 연구팀은 이러한 문제를 개선해 용량 유지율은 15배, 수명은 5배가 향상된 ‘바나듐레독스 -흐름전지’를 개발했다.

공동 연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스 -흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다. 가교에 의해 수화 팽창(moisture expansion, 습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.

이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온 -바나듐 이온 선택성을 갖는다. 연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충·방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다. 연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다. 이번 연구는 한국화학연구원 주요사업, 에너지기술평가원과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원을 통해 수행됐다.

세종대 나노신소재공학과 박준영 교수 연구팀과 UNIST 주상훈 교수 연구팀은 삼중층 페로브스카이트 구조를 갖는 금속 산화물을 기반으로 하여 매우 높은 성능과 내구성을 동시에 구현하면서도 귀금속에 비해 가격을 획기적으로 낮춘 새로운 산소 환원 및 발생 반응 촉매를 개발하였다. 또한, 단일층-이중층-삼중층 페로브스카이트 구조와 촉매 활성간의 관계를 체계적으로 규명하여 산소극 촉매반응 활성에서 결함 구조의 역할도 규명했다.

이 연구에는 세종대에서 박준영 교수 연구팀이 주도하는 가운데 최택집 교수와 서영수 교수가 참여하였고, 촉매 전문가인 UNIST의 주상훈 교수가 공동교신저자로 연구를 수행했다. 그 외에도 성균관대학교 최우석 교수, 한국과학기술연구원 황준연 박사, 포항가속기연구소의 이국승 박사 등이 공동 연구진으로 참여했다.

박준영 교수는 “이번 연구에서 개발된 촉매 소재는 가역연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 뿐만 아니라, 유사한 에너지 장치에도 적용하여 기존 성능을 크게 개선할 수 있을 것”이라고 기대하였고, 주상훈 교수는 “본 연구를 통해 얻은 촉매 활성점에 대한 이해를 바탕으로, 새로운 저가 금속 산화물계의 개발이 용이해질 것”이라고 기대했다.

음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성을 해결하기 위해 KAIST ‘차세대배터리센터’의 김희탁 교수 연구진은 리튬금속음극 대신 사이클 수명이 우수한 흑연음극과 더불어 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합해 에너지 밀도와 수명 향상에 힘써왔다. 그러나 황화리튬이 고가이고 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.

연구진은 저가의 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그리고 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다.

내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충·방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다. 연구진은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다. 연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하고 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있으며 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용 가능할 것으로 보인다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.