GIST, 5천번 충·방전에도 끄떡없는 혁신적 전해질 첨가제 개발 Stable Zinc Electrode Reaction Enabled by Combined Cationic and Anionic Electrolyte Additives ...

GIST, 혁신적 전해질 첨가제 개발

GIST 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀

대면적 아연-브롬 배터리 5천번 충·방전에도 끄떡없어

‘양이온 및 음이온 동시 발현’ 전해질 첨가제로 아연금속 음극의 불안정성 해결해

5천회 충·방전 후에도 높은 방전 용량(407mAh)과 클롱 효율(92.3%) 유지

높은 안정성과 에너지 밀도 확보할 수 있어 폭발 위험 없는 고용량 에너지저장장치(ESS) 활용 기대…

재료 과학 및 화학 분야 저명 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 게재

  광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀이 세륨과 염소 기반 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 밝혔다.

[그림1] 연구 내용을 요약한 그림: 아연 전극 반응에서 염화세륨(CeCl3)의 효과이다.

이번 연구 성과는 기존의 아연-브롬 배터리의 문제점인 아연금속 음극에서 발생하는 수지상(dendrite)* 성장과

수소 발생 같은 부반응*을 극복하고, 대형 에너지저장시스템에 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

* 수지상(dendrite): 금속 전극 표면에서 나뭇가지처럼 자라나는 결정체로, 배터리의 효율을 떨어뜨리고 단락을 일으켜 성능 저하와 안정성 문제를 유발한다.

* 부반응: 여러 가지 반응이 함께 일어날 때 주된 반응 외의 다른 반응

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

그러나 이 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 활용하여 아연금속 음극의 불안정성을 해결했다.

구체적으로 충전 과정 중 세륨 양이온(Ce3+)은 전기장이 강한 아연금속 음극의 돌출부에서 정전기적 보호층을 형성하여 수지상 성장을 억제했다. 동시에 뛰어난 전자 제공 특성을 가진 염소 음이온(Cl-)은 아연 이온의 솔베이션 구조*에 참여하여 물 분해를 억제했다.

* 솔베이션 구조: 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는 것을 의미한다.

[그림2] 소형 및 대면적 아연-브롬 배터리 배터리에서 전해질 첨가제 유무에 따른 전기화학 성능 비교: 전해질 첨가제를 양극과 음극이 모두 흑연으로 구성된 소형 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 2,000회 충·방전 후에도 94.9%의 높은 클롱 효율을 유지했다. 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 73.8% 향상된 수치이다. 또한 전해질 첨가제를 대면적 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 5,000회 충·방전 후에도 92.3%의 높은 클롱 효율을 유지했다.

개발된 전해질 첨가제를 양극과 음극이 모두 흑연으로 구성된 소형 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 2,000회 충·방전 후에도 각각 94.9%의 쿨롱 효율*과 70.3%의 에너지 효율을 유지했다. 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 73.8%와 52.9% 향상된 수치이다.

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.

* 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency: CE): 배터리의 미래 성능을 예측할 때 가장 중요한 단일 지표이다. 쿨롱효율(CE)이 1.00000인 배터리(이상적인 배터리)는 배터리가 영원히 지속된다는 것을 의미하며, 0.0001 정도의 CE 변경은 1000회 이상의 주기 수명 차이에 해당할 수 있다.

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 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

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 2024년 5월 7일 온라인 게재됐다

GIST 에너지융합대학원

Stable Zinc Electrode Reaction Enabled by Combined Cationic and Anionic Electrolyte Additives for Non-Flow Aqueous Zn─Br2 Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202401916?af=R

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