리튬 대신 망간으로 차세대 ESS 상용화 기반 마련

재생에너지가 확대되면서 저렴하고 안전한 ESS에 대한 수요가 꾸준히 늘고 있습니다. 현재는 리튬이온전지가 널리 사용되고 있지만, 일부 지역에 편중돼 있고 가격 변동성이 큰 리튬 자원 특성상, 이를 보완할 새로운 기술이 필요한데요. 이에 풍부하고 가격도 저렴한 망간이 차세대 에너지 저장장치 소재로 주목받고 있습니다. 다만 망간은 기존 수계 전해질에서 성능이 저하되는 한계가 있는 데다, 비수계 전해질*에 적합한 망간염은 가격이 비싸고 부식성도 강해 연구하기가 쉽지 않았습니다.

이 문제를 해결하기 위해 세종대학교 명승택 교수 연구팀은 물을 쓰지 않는 ‘사불화붕산망간* 기반 비수계 전해질’을 개발했습니다. 개발한 전해질은 망간 금속의 부식을 억제하면서도 충·방전에 필요한 망간의 석출·박리 반응도 안정적으로 이루어졌는데요. 여기에 높은 이온전도도와 전기화학적 안정성까지 확보돼, 망간전지를 안정적으로 구동할 수 있는 전해질로서의 가능성을 보여줬습니다.

연구팀은 한발 더 나아가 개발한 전해질에 적합한 양극과 음극 소재를 조합하고 실제 전지를 구현해 성능을 살펴보았습니다. 그 결과 1.5V 이상의 작동전압과 70~80mAh g-1의 안정적인 용량을 보였고, 파우치셀에서도 250회 이상 안정적으로 구동됐음을 확인했습니다. 이번 연구는 전해질뿐 아니라 양·음극 후보 소재까지 함께 제시해 망간이온전지 연구의 설계 기준을 마련했다는 점에서 의미가 큰데요. 향후 저렴하고 안전한 대용량 ESS 개발의 가능성을 넓힐 것으로 기대됩니다.

연구성과 자세히 보기

배터리 수명 갉아 먹는 원인 발견

ESS부터 전기차까지 에너지 저장장치의 활용도가 늘어나면서 고용량 배터리의 긴 수명을 확보하는 것이 중요해지고 있습니다. 하지만 고용량 배터리는 충·방전을 반복할수록 성능이 떨어지는 열화 문제가 있어 시장 확대와 장기 사용에 한계가 있는데요. 이를 극복하기 위해선 미시적인 상호작용과 열화 메커니즘에 대한 규명이 필요하죠. 여기서 인하대학교 김민규 교수 연구팀이 배터리 수명을 갉아 먹는 새로운 열화 원인을 밝혀냈습니다.

먼저 연구팀은 두 종류의 양극 입자를 여러 비율로 혼합한 복합전극을 제작해 전극 전체와 개별 입자 내부의 반응 분포를 추적했습니다. 그 결과, 외부 충전을 중단한 뒤에도 리튬이온이 충전 상태가 다른 두 입자군 사이를 자발적으로 이동하며 차이를 줄이는 현상이 확인됐는데요. 특히 한쪽 입자군의 비율이 낮은 전극에서는 리튬이 재분배되는 과정에서 발생한 내부전류가 소수 입자에 집중되며 추가적인 전기화학적 부담을 일으켰습니다. 이로 인해 해당 입자에는 전해질과의 부반응으로 표면 피막이 두껍게 형성되고 결정구조까지 변형됐는데요. 결국 이러한 변화가 전극 전체의 열화를 가속하는 것이었죠.

배터리 수명을 갉아먹는 열화 과정

• 충전 중 반응속도가 다른
  입자 사이에
  충전 상태 차이가 형성된다.
• 외부 전류가 중단된 뒤에도
  입자 사이에서
  리튬이 재분배된다.
• 혼합 비율이 불균형하면
  내부전류가
  소수 입자에 집중된다.
• 반복적인 추가 반응이
  특정 입자의 표면 및
  결정구조 열화를 촉진한다.

이번 연구는 아무리 우수한 소재라도 전극 안에서 다른 입자들과 반응 속도가 맞지 않으면 특정 입자가 선택적으로 망가질 수 있다는 사실을 규명했다는 점에서 의미가 있습니다. 연구팀은 전극을 구성하는 모든 입자가 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 중요하다고 설명했는데요. 이러한 설계 개념은 고니켈 양극뿐 아니라 혼합 양극, 재활용 소재 기반 전극 등 다양한 차세대 복합전극에 적용돼, 고용량·장수명 배터리를 개발하기 위한 새로운 설계 기준으로 활용될 것으로 기대됩니다.

연구성과 자세히 보기

추위에도 끄떡없는 에너지 저장소자

웨어러블·유연 전자기기의 활용이 늘어나면서 잘 휘고 잘 늘어나면서도 안정적으로 작동하는 에너지 저장장치에 대한 수요도 커지고 있습니다. 여기서 에너지 저장장치의 성능을 좌우하는 요소 중 하나가 전하를 나르는 통로 역할을 하는 ‘전해질’인데요. 특히 유연한 기기에 적용하려면 전해질 역시 잘 휘고 늘어나면서 안정적인 성능을 유지해야 하죠. 하지만 기존 수화젤 전해질은 수분 함량이 높아 기계적 강도가 낮고 저온 환경에서 쉽게 얼어붙는다는 한계가 있었습니다.

이를 위해 성균관대학교 박성준 교수 연구팀은 새로운 중합 전략을 제안했습니다. 액체금속 입자를 개시제*로 활용해 외부 열이나 자외선과 같은 추가적인 에너지 공급 없이도 고분자 네트워크를 형성할 수 있는 수화젤 전해질을 개발한 것인데요. 여기에 외부 변형 시 끊어졌다가 다시 형성되는 고분자 사슬 간 물리적 가교 구조를 만들어 기계적 강도를 높이고, 염화리튬을 도입해 낮은 온도에서도 쉽게 얼지 않도록 했습니다.

연구팀은 개발한 수화젤 전해질을 적용한 슈퍼커패시터를 제작해 성능을 평가했는데요. 그 결과 45,000회 충·방전 이후에도 98%의 성능을 유지하는 등 우수한 안정성을 보였습니다. 이번 연구는 액체금속을 활용한 새로운 수화젤 전해질 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 깊은데요. 앞으로 웨어러블·유연 전자기기를 비롯해 다양한 환경에서 안정적으로 작동하는 차세대 에너지 저장기술로 이어질 수 있기를 바랍니다.

연구성과 자세히 보기