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5천번 충·방전에도 끄떡없다…GIST 전해질 첨가제 개발

에너지융합대학원 김상륜 교수팀
높은 안정성·에너지 밀도 등 확보

2024년 06월 17일(월) 16:07
광주과학기술원 에너지융합대학원 김상륜 교수
광주과학기술원(GIST)은 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀이 5,000번 충·방전 후에도 높은 에너지 효율을 유지하는 세륨과 염소 기반 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 배터리는 높은 안정성과 고밀도 에너지로 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있다.

해당 배터리는 금속 전극을 음극으로 사용하는 다른 배터리와 마찬가지로 음극에서의 수지상 성장과 수소 발생 같은 부반응 때문에 안정적인 구동과 장기간의 안정된 사이클을 유지하는 데 어려움이 있다.

연구팀은 염화세륨(CeCl3)에서 세륨 양이온(Ce3+)과 염소 음이온(Cl-)이 동시에 작용하는 전해질 첨가제를 활용해 아연금속 음극의 불안정성을 해결했다.

개발된 전해질 첨가제를 양극과 음극이 모두 흑연으로 구성된 소형 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 2,000회 충·방전 후에도 각각 94.9%의 쿨롱 효율과 70.3%의 에너지 효율을 유지했다.

이는 첨가제가 없는 전해질과 비교해 각각 73.8%와 52.9% 향상된 수치다.

또한 전해질 첨가제를 대면적 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 5,000회 충·방전 후에도 높은 방전 용량(407mAh)과 클롱 효율(92.3%)을 유지했다.

기존의 아연-브롬 배터리의 문제점인 아연금속 음극에서 발생하는 수지상(dendrite) 성장과 수소 발생 같은 부반응을 극복하고, 대형 에너지저장시스템에 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

아연 전극 반응에서 염화세륨(CeCl3)의 효과
김상륜 교수는 “이번 연구 성과는 아연-브롬 배터리 전해질 설계의 실용적 가이드라인 제시와 수계 배터리 시스템에서 전극 안정화 전략에 대한 이해를 증진시키는 데 도움이 된다”며 “향후 수계 배터리뿐만 아니라 리튬이온 배터리, 전고체 배터리 등 고성능 및 고안정 에너지 저장 기술개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 GIST 에너지융합대학원 김상륜 교수가 지도하고 김정현 석사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부 과학기술원 공동연구사업, 한국에너지기술평가원의 지원받았으며, 재료 과학 및 화학 분야 저명 국제학술지‘Small’에 지난달 7일 온라인 게재됐다.

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