리튬이온 대체재로 힘 받는 ‘해수전지’… UNIST, 핵심 부품 안정성 원리 규명
  • 최정훈 기자
  • 승인 2021.01.14 08:30
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고체전해질 정적· 동적 안정성 연구성과 줄줄이 발표

[인더스트리뉴스 최정훈 기자] 해수전지 구성 부품인 고체전해질의 안정성을 규명한 연구결과가 연이어 발표돼 해수전지 연구개발이 탄력을 받을 전망이다. 

UNIST(총장 이용훈)는 이현욱‧김영식‧곽상규 교수 연구팀이 차세대 친환경 배터리인 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 정적· 동적 안정성을 2건의 개별 연구를 통해 검증했다고 1월 13일 밝혔다. 연구진은 고체전해질 소재를 실제 해수전지에 쓰이는 ‘펠렛’(Pellet, 가루를 뭉친 얇은 덩어리)형태로 제작한 뒤 이를 바닷물에 노출시키거나 충·방전과 같은 동적 변화에 노출시켜 해수전지용 고체전해질의 안정성을 입증했다. 

해수전지의 개략적인 구조와 충전 방전 과정을 나타낸 모식도 [자료=UNIST]
해수전지의 개략적인 구조와 충·방전 과정을 나타낸 모식도 [자료=UNIST]

해수전지는 바닷물 속 나트륨(Na+) 이온을 이용해 전기를 충전하고 원하는 때 뽑아 쓸(방전) 수 있는 친환경 에너지저장장치(ESS)이다. 기존 ESS의 주 금속인 리튬은 폭발 위험성으로 인해 새로운 배터리에 대한 연구가 진행되는 양상이다. 해수전지는 지구 표면의 70% 비중을 차지하는 풍부한 바다를 이용한다는 점에서 유력한 대체재로 꼽히고 있다. 

고체전해질은 바닷물로부터 전극을 보호하고 바닷물 속 나트륨 이온만을 선택적통과 시키는 ‘필터’ 역할을 하는 해수전지의 핵심부품이다. 하지만 아직까지 해수전지 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 살펴본 사례는 없었다. 

연구 결과 고체 전해질은 순수한 물(증류수)보다 오히려 다양한 이온이 공존하는 바닷물에서 더 안정한 것으로 나타났다. 이온 농도차로 인해 고체전해질 구성 성분이 밖으로 흘러나오는 반응이 억제 된 것이다. 기존 고체전해질 소재의 경우 입자 형태로 존재할 경우 물에 녹는다고 알려졌는데, 이 분말을 압축해 만든 고체전해질이 바닷물에서는 안정하게 구동이 가능했던 이유다.

동적안정성(충방전) 평가를 통해 구조변형 원인을 찾아낸다. [자료=UNIST]
동적안정성(충방전) 평가를 통해 구조변형 원인을 찾아낸다. [자료=UNIST]

이와 더불어 연구진은 해수전지가 충전과 방전을 하는 동적 상황에서 고체전해질과 해수면 사이(계면)에 일어나는 반응 또한 밝혔다. 전지의 안정성을 높이기 위해서는 각 구성 요소의 경계면에서 일어나는 여러 화학 반응과 그 원인을 밝히는 것이 중요하다.  

UNIST 이현욱 교수는 “이번 연구는 화학적으로 더 안정한 고체전해질을 개발하는 데 필요한 선행 연구로서 가치가 크다”고 “해수전지에서 핵심적 역할을 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여, 더 오래 쓸 수 있는 해수전지를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다. 

두 논문의 공동 1저자인 이찬희 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 현재 한국에너지기술평가원에서 제공하는 ‘글로벌 혁신 인재 양성 프로그램’을 통해 美조지아 공과대학에서 연구를 진행하고 있다. 이번 연구는 이찬희 연구원이 매튜맥도웰(Matthew McDowell) 조지아 공과대학 기계공학과 교수와 협업으로 이룬 성과이다.

 

 



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