[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 제주본부 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀이 차세대 이차전지로 떠오르고 있는 수계아연이차전지를 만들었다. 김찬훈 박사팀이 만든 수계아연이차전지는 물을 전해질로 사용해 화재 위험성이 없으며, 전지 속 음극을 코팅해 수명이 길어졌다. 김찬훈 박사는 19일 "이번 연구로 수계아연전지의 기술적 난제를 해결하고 상용화 가능성까지 높였다"고 말했다. 연구진은 보호막을 코팅한 음극으로 수계아연이차전지를 만들어 실험했다. 그결과 약 3000회에 달하는 가혹한 충방전 반복실험에서도 용량유지율이 93%에 달했다. 또한 충전전력이 자연적으로 소모되는 비율인 '자기 방전율' 역시 코팅되지 않은 음극 대비 2배 이상 억제되는 효과도 있었다. 뿐만아니라, 176㎠ 크기의 아연음극을 간단한 공정만으로 보호막을 코팅할 수 있어 양산 가능성도 입증했다. 기존 연구들은 손톱 크기의 코인셀(Coin-cell)을 대상으로 한 실험실 수준에 머물렀었다. 최근 정부의 그린뉴딜 정책 추진으로 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 발전설비가 매년 10% 이상 급증하면서 탄소중립 사회로 빠르게 나아가고 있다. 그런데 재생에너지는 기후 상황에 따라 전력발생량이 수시로 변동되므로, 안정적인 전력 공급을 위해서는 그 출력을 제어하고 잉여전력을 저장해주는 '에너지저장장치(ESS)'가 필수적이다. 현재 국내에 설치된 ESS에서는 대부분 리튬이온전지를 쓰고 있는데, 최근 4년간 ESS 화재사고가 수십 건 가량 끊임없이 발생해 이차전지에 대한 안전성 논란이 불거진 상황이다. 반면, '수계아연이차전지'는 물 기반 전해질을 사용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성도 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 또한 고온 열처리 없이 양극재의 합성이 가능하며, 드라이룸(Dry room)이 아닌 일반 대기 중에서 전지를 조립할 수 있어 공정상의 이점도 크다. 하지만 아연 금속을 음극으로 사용하기 때문에 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나게 되고, 특히 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체로 뾰족하게 쌓이기 쉽다는 문제점이 있었다. '덴드라이트(Dendrite)'라고 불리는 이 결정체는 충방전 반응에 거의 참여하지 않고 계속 성장한다. 분리막을 뚫고 양극에 맞닿게 될 경우 결국 단락을 일으켜 전지 수명을 급격히 저하시키고 화재를 유발한다. 연구진은 아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 덴드라이트 형성이 억제되고 그 형태도 달라지는 것을 전자현미경을 통해 세계 최초로 관찰해냈다. 즉, 아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 '친수성' 상태일수록 배터리 충전 시 아연 이온이 음극 표면에 더욱 균일하게 흡착돼 덴드라이트 형성이 억제된다는 사실을 밝혀낸 것이다. 반대로 '소수성' 상태의 음극 표면인 경우, 그 성질이 비교적 덜한 곳으로 아연 이온 분포가 집중돼 공 형태를 띤 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 덴드라이트가 군데군데 생성되는 것도 포착했다. 연구진은 간편한 '딥 코팅' 공정으로 500㎚(나노미터) 두께의 얇은 친수성 보호막을 음극 표면에 고르게 만들어 덴드라이트 형성과 부식 반응이 일어나지 않게 하는데 성공했다. '딥 코팅' 공정이란 음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 형성하는 방법으로, 연속 공정에 유리하다는 장점이 있다. 김찬훈 박사는 "제주도는 재생에너지 과잉발전으로 인한 출력제어 문제가 국내에서 제일 먼저 발생해 화재 위험 없는 차세대 ESS 도입이 가장 시급한 곳"이라며, "제주형 ESS 조기 개발에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 향후 연구진은 이번 기초 연구성과를 더욱 발전시켜 수계아연전지 상용화에 추가적으로 요구되는 에너지밀도 향상 및 운용온도 범위 확장 기술개발에 주력한다는 계획이다. 한편, 이번 연구성과는 에너지 분야의 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 온라인 판에 지난 10일 발표했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 우중제 박사팀과 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀이 화재 위험성을 안고 있는 휘발성 액체 대신 물을 전해질로 사용하는 이차전지의 내구성을 향상시키는 음극 제조기술을 개발했다. 이 기술로 만든 이차전지 '아연 이온 배터리'는 기존 것보다 수명이 10배 이상 향상됐다. 28일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 아연이 음극에 달라붙어 쌓이는 현상을 제어해 한번 충전으로 음극 1㎤ 당 세계 최고 수준인 4225㎃h의 저장 용량을 달성했다. 또한 배터리를 3000회 이상 충·방전해도 초기 성능을 유지했다. 뿐만아니라 64㎠의 대면적 전극을 만들어 사용해도 그 성능을 그대로 유지했다. 우중제 박사는 "이는 아연 이온 배터리의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공한 것"이라고 말했다. 아연 이온 배터리는 안전하고 오래 사용할 수 있어 매력적이다. 하지만 문제는 아연이 배터리 안에서 잘못된 모양으로 자라나는 '덴드라이트' 현상 때문에 수명이 짧아진다. 연구진은 배터리 음극에 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 산화구리는 일반 구리와 마찬가지로 아연의 초기 성장을 촉진하고 유도 증착시키는 역할을 수행한다. 또, 아연을 균일한 분포로 증착시키는 데 최적화된 전도성을 갖고 있어 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다. 산화구리는 아연을 균일 분포한 후 비계(스케폴드)로 자체 변환된다. 이 스캐폴드는 아연이 어디에 자랄지 가르쳐주는 역할을 한다. 처음에는 아연이 잘 붙을 수 있게 도와주다가 아연이 많이 자라면 스캐폴드가 스스로 변해서 아연이 다른 곳으로 자라게 한다. 이렇게 하면 아연이 잘못된 모양으로 자라지 않아서 배터리를 더 오래 쓸 수 있게 되는 것이다. 우 박사는 "향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화하는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다"고 밝혔다. 한편, 연구진은 새로운 음극제조 기술을 개발해 에너지·재료 분야 저명 학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 발표했으며, 8월호 표지논문으로 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀과 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이용민 교수팀이 발화 위험성이 없는 수계아연이온전지의 후막 양극기술을 개발해 전기충전 용량 저하문제를 해결했다고 25일 밝혔다. 이 기술개발로 수계아연이온전지 두께는 30% 이상 얇게 만들 수 있게 됐다. 또한 전지 저장용량을 20% 이상 늘렸다. 김찬훈 박사는 "수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과"라며 "에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 에너지저장시스템(ESS)용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획"이라고 말했다. 수계아연이온전지는 물 기반의 전해질을 이용해 발화 위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 하지만 후막 양극을 만들때 용량이 크게 떨어져 상용화의 어려움을 겪어 왔다. 후막 양극은 전자들의 이동 통로 역할을 하는 집전체 위에 전기 에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로, 이차전지의 에너지 밀도 향상에 필수다. 30㎛(마이크로미터) 두께의 양극 4장을 120㎛ 두께의 후막 양극 1장으로 교체할 경우 전지의 두께는 30% 이상 얇아지고 에너지 밀도는 높아진다. 연구진은 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더 '폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)' 대신 친수성이 있는 '설포네이트 PVdF'를 개발해 용량 저하 문제를 해결했다. 제1 저자로 참여한 생기원 청정웰빙연구그룹 이정은 학연협동과정생은 "상용화된 PVdF 바인더를 간단한 개질만으로 친수성을 높여 후막 양극에 적합한 바인더를 개발할 수 있었다"고 말했다. 이 S-PVdF는 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 이온전도도가 10배 가량 높았다. 이온전도도가 높을수록 전지의 출력이 올라간다. 연구진이 개발한 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작하고, DGIST 이용민 교수팀이 물리화학적 특성을 분석한 결과, 기존 PVdF 바인더를 사용했을때보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가했다. 또한 3000번 이상 충전과 방전을 거듭하는 동안에도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타냈다. 이와함께 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 연구진이 이온이 이동하는 전해질을 물로 사용해 화재 위험성이 없는 이차전지를 개발했다. 이 전지는 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000 사이클 이상 작동해도 성능이 유지됐다고 연구진은 설명했다. 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 수명이 긴 수계 아연·브롬 레독스 흐름 전지를 개발했다고 5일 밝혔다. 김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과"라고 말했다. 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지를 저장하는 전지다. 연구진은 충방전때 음극에 아연이 쌓여 부풀어 오르는 문제를 해결해 수명을 늘리는데 성공했다. 연구진은 또 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용했다. 그결과 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000번 이상 충·방전해도 97% 이상의 성능을 유지했다. 김희탁 교수는 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 이온이 이동하는 전해질을 물로 사용해 화재 위험성이 없는 이차전지를 개발했다. 이 전지는 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000 사이클 이상 작동해도 성능이 유지됐다고 연구진은 설명했다. 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 수명이 긴 수계 아연·브롬 레독스 흐름 전지를 개발했다고 5일 밝혔다. 김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과"라고 말했다. 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지를 저장하는 전지다. 연구진은 충방전때 음극에 아연이 쌓여 부풀어 오르는 문제를 해결해 수명을 늘리는데 성공했다.  . 연구진은 또 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용했다. 그결과 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000번 이상 충·방전해도 97% 이상의 성능을 유지했다. 김희탁 교수는 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구는 국제 학술지 '에너지 및 환경과학'에 최근 게재되는 한편 표지논문으로 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 하버드 공과대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와의 공동연구를 통해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다. KAIST-하버드 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양, 대문자 알파벳 H, U 등의 글자모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했다. 또 한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했다. KAIST 신소재공학과 김찬훈 박사, 하버드 공과대학 안복엽 박사가 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호에 게재됐다. 현재 사용되는 배터리 형상은 코인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있다. 각기 다른 디자인을 갖는 소형 전자소자의 경우 배터리 저장장치가 부피 대부분을 차지하기 때문에 효율적인 공간 활용을 위해서는 배터리의 형상을 자유자재로 바꾸는 기술이 필요하다. 연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 아연 이차전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했다. 리튬이온 대신 아연이온(Zn2+)을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전하다. 유기용매는 수분 및 산소에 노출될 경우 배터리 열화의 원인이 돼 리튬 이차전지의 제조공정을 어렵게 하는 요인 중 하나이다. 연구팀이 도입한 수계 아연 이차전지는 대기중의 수분 및 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기 공정조건에서 제조할 수 있다. 특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능한 장점이 있다. KAIST 연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충, 방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유(Carbon fiber) 전류집전체를 제조했다. 이후 전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했다. 3D구조를 갖는 얇은 섬유로 이루어진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전하는 매우 빠른 충전 속도를 보였고, 활물질의 손실없이 쉽게 재단할 수 있어 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 것으로 기대된다. 김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있어 3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”면서 “초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력 장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 저장장치로 응용 가능성이 높다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실 및 웨어러블 플랫폼센터의 지원을 받아 수행됐다. 한편 김일두 교수는 이번 12월부터 연구가 게재된 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장(Associate Editor)으로 선임이 돼 투고 논문의 심사 여부를 판단하고 심사자(reviewer) 선정 및 게재 승인 여부를 결정하게 된다. 미국과 유럽, 중국이 과학기술을 선도하는 환경에서 40대의 나이에 권위학술지의 부편집장 선임은 대한민국의 과학발전이 세계적으로도 인정받고 있음을 보여주는 결과이다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 이홍경 교수팀과 한국전기연구원 김병곤 박사팀이 전해액을 물로 사용하는 아연-이산화망간전지의 사용수명을 28배 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 이 기술을 통해 아연-이산화망간전지를 안정성이 중요한 대용량 에너지 저장 시스템(ESS)의 새로운 에너지 저장원으로 활용할 수 있을 것이라고 전망했다. 연구진은 수계 아연-이산화망간전지를 양극과 분리막 사이에 기공성 탄소 지지체를 삽입했다. 이 전지를 테스트한 결과, 충전용량이 g당 278㎃h가 나와 탄소지지체를 사용하지 않은 전지에 비해 15% 향상됐다. 또한 기존 전지는 108번을 사용하면 성능이 떨어졌지만, 연구진이 개발한 전지는 3000번 넘게 충방전을 해도 85.6%의 용량을 유지했다. 연구진은 나노 탄소 소재의 단순한 산 처리와 얇은 지지층의 설계로 확연하게 셀 성능이 향상됐다고 설명했다. 리튬이온전지는 발화성이 높아 안전성이 떨어지며 공정비용이 높지만, 수계 아연-이산화망간전지는 물 기반 전해액을 사용해 안전하며, 가격 절감에 유리하다. 이러한 장점이 있는 반면 수계 아연-이산화망간전지는 기존 리튬이온전지보다 반응이 복잡하다. 이 전지가 충방전때 이산화망간에서 망간이온이 분리되면서 절연체들이 축적된다. 이렇게 되면 충방전 효율이 떨어지고 용량이 줄어들게 된다. 연구진은 이를 방지하기 위해 지지체를 전지의 에너지밀도 손실을 최소화 할 수 있도록 얇은 필름 형태로 만들었다. 또 지지체를 구성하는 탄소 나노분말의 표면을 산처리해 전자전도성 및 이온친화 기능을 동시에 부여하도록 했다. 이홍경 교수는 "수계 아연-이산화망간 전지에서의 양극 구동 원리와 반응 현상을 실험적으로 밝혀냈으며, 이를 기반으로 한 전지 부품 소재 개선을 통해 성능향상을 이끌어냈다는 측면에서 의미가 있다"고 말했다. 또 김병곤 박사는 "산 처리 탄소 지지층 사용한 방법은 경제적이고 효과적인 방법"이라며 "이를 통해 대면적, 대용량 아연-이산화망간 전지의 수명 안정성을 확보 할 수 있다면 차세대 에너지 저장원으로써 ESS용 리튬이온전지를 대체할 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야의 국제 학술지 '스몰 메소드(Small Methods)' 2월호 표지논문에 선정됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자