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친환경 에너지 ‘해수전지’ 실사용 환경에서도 안전하다
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친환경 에너지 ‘해수전지’ 실사용 환경에서도 안전하다
  • 김민철 기자
  • 승인 2021.01.13 10:53
  • 댓글 0
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실제 사용 환경에 노출 시켜 안정성 입증
순수한 물보다 해수서 더 안정·오래 쓰는 해수전지 개발 선행연구로 가치
폭발 위험성 '리튬 이온 배터리' 대신할 ESS로 주목받고 있는 해수전지
해수전지, 화재 위험이 없고 친환경적...생산 비용 낮아
해수전지의 구조와 여러 구동 환경(담수, 해수)에서 안정성 평가-(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. /UNIST 
해수전지의 구조와 여러 구동 환경(담수, 해수)에서 안정성 평가-(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. /연구그림=UNIST 제공

바닷물 속 나트륨(Na+) 이온을 이용해 전기를 충전하고 원할 때 뽑아 쓸 수 있는 친환경 에너지 저장장치인 '해수전지'의 핵심 구성 부품인 고체전해질의 안정성을 국내 연구진이 규명했다.

13일 울산과학기술원(UNIST) 이현욱·김영식·곽상규 교수 연구팀은 해수전지에 사용되는 고체전해질의 정적·동적 안정성을 2건의 연이은 개별 연구를 통해 검증했다고 밝혔다. 

에너지를 저장하는 장치로 리튬 이온 배터리는 휴대용 전자기기와 대형 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS), 전기자동차 등에 널리 사용되어 왔으나 리튬 이온 배터리의 고질적인 단점인 폭발 위험성 때문에 이를 해결하기 위한 새로운 연구가 활발하다.

리튬 이온 배터리를 대신할 수 있는 ESS로 주목받고 있는 해수전지는 해수 속 나트륨을 이용하기 때문에 화재의 위험이 없고 친환경적이며 생산 비용이 낮은 장점이 있다. 

고체전해질은 바닷물로부터 전극을 보호하고 바닷물 속 나트륨 이온만을 선택적으로 통과 시키는 필터 역할을 하는 해수전지의 핵심부품이지만 아직까지 해수전지 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 살펴본 연구사례는 없었다고 한다.

왼쪽부터 김영식 교수, 곽상규 교수, 이현욱 교수 /사진=UNIST 제공

연구진은 이로 인해 향후 새로운 해수전지용 고체전해질 개발의 길잡이 역할을 할 수 있을 것이라 기대했으며, 고체전해질 소재를 실제 해수전지에 쓰이는 '펠렛(Pellet, 가루를 뭉친 얇은 덩어리)' 형태로 제작한 후 이를 바닷물에 노출시키거나 충·방전과 같이 동적 변화에 노출시켜 해수전지용 고체전해질의 안정성을 입증했다고 설명했다.  

또한 고체전해질은 증류수보다 오히려 다양한 이온이 공존하는 바닷물에서 더 안정한 것으로 나타났으며, 이온 농도차로 인해 고체전해질 구성 성분이 밖으로 흘러나오는 반응이 억제된 것으로 기존 고체전해질 소재의 경우 입자 형태로 존재할 경우 물에 녹는다고 알려져왔다. 이 분말을 압축해 만든 고체전해질이 바닷물에서는 안정하게 구동이 가능했던 이유이다. 

고체전해질을 해수전지 충·방전 과정에 노출시킨뒤(동적 안정성 평가) 구조적 변형 원인을 찾아냄 - (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. /연구그림=UNIST 제공

UNIST 이현욱 교수는 "화학적으로 더 안정한 고체전해질을 개발하는 데 필요한 선행 연구로서 이번 연구가 가치가 크다"며 "해수전지에서 핵심적 역할 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여 더 오래 사용할 수 있는 해수전지를 개발하는 데 기여할 것"이라고 말했다. 

연구진은 해수전지가 충전과 방전을 하는 동적 상황에서 고체전해질과 해수면 사이에 일어나는 반응도 밝혀냈는데 전지의 안정성을 높이기 위해서는 각 구성 요소의 경계면에서 일어나는 여러 화학 반응과 그 원인을 밝히는 것이 중요하다고 한다. 

이번 연구 결과는 지난해 10월 1일에 재료분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A (Journal of Materials Chemistry A)'에 논문명 'Chemical Stability and Degradation Mechanism of Solid Electrolyte/ Aqueous Media at a Steady-State for Long-Lasting Sodium Batteries.'로, 12월 29일에는 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈 (Chemistry of Materials)’에 논문명 'Unveiling Interfacial Dynamics and Structural Degradation of Solid Electrolytes in a Seawater Battery System'로 각각 게재됐다.

두 논문의 공동 1저자인 이찬희 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원이 매튜맥도웰 조지아 공과대학 기계공학과 교수와 협업으로 이룬 성과며, 현재 한국에너지기술평가원에서 제공하는 ‘글로벌 혁신 인재 양성 프로그램’을 통해 美조지아 공과대학에서 연구를 진행하고 있다.



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