[웹이코노미 심우성 기자] 최근 태양광 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장시스템(ESS)이 주목받고 있다. 현재 대부분의 ESS는 값이 저렴한 리튬이온전지를 채택하고 있지만, 리튬이온전지는 태생적으로 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다. 이런 상황에서 국내 연구진이 리튬전지가 아닌, 수계(물)를 이용한 전지개발에 성공해 관심을 모으고 있다. KAIST(총장 신성철)는 5일, 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 발화 위험이 전혀 없으며 장시간 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스 흐름 전지 개발에 성공했다고 밝혔다. KAIST에 따르면, 최근 들어 관련업계에서는 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 레독스 흐름 전지(Redox flow battery 가 주목을 받고 있다. 초저가의 브롬화 아연(ZnBr2)을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 다른 수계 레독스 흐름 전지와 비교할 때 높은 구동전압과 함께 에너지 밀도를 높일 수 있고, 가격이 싸다는 장점 때문에 오래전부터 ESS용으로 개발돼 왔다. 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 에너지는 저장하는 전지를 말한다. 문제는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 경우 아연 음극이 나타내는 짧은 수명 때문에 상용화가 지연되고 있다는 점이다. 특히 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 덴드라이트(Dendrite) 형성은 전지의 내부 단락을 유발해 수명을 단축하는 주요 원인으로 지적되고 있다. 덴드라이트는 아연 이온이 환원돼 금속 전극 표면에 증착 될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 현재 덴드라이트 형성 메커니즘은 명확히 규명되진 않고 있지만 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 추정하고 있다. 이런 문제 해결을 위해 그동안 균일한 핵의 생성을 유도하는 기술이 경쟁적으로 개발돼 왔으나, 여전히 충분한 수명향상 효과를 얻지 못하고 있다. 김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 `표면 확산(Surface diffusion)'을 통한 `자가 응집(Self-agglomeration)' 현상이 발생한다는 사실에 주목했다. 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 이와 함께 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실을 발견했다. 탄소 원자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 결함(single vacancy defect)은 아연 핵과 전자를 교환하며, 강하게 결합함으로써 표면 확산이 억제되고 균일한 핵생성 또는 성장을 가능하게 한다. 연구팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용해, 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100 mA/cm2)에서 5000 사이클 이상의 수명 특성을 구현해냈다. KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 "지금까지 다양한 레독스 흐름 전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 지닌 전지”라며 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할것”이라고 전했다. 심우성 기자 webeconomy@naver.com