보도자료

2021. 1. 13 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘해수전지’ 핵심 부품 안정성 원리 규명

UNIST 연구진, 해수전지 고체전해질 실사용 환경에 노출 시켜 안정성 입증
순수한 물보다 해수서 더 안정· 오래 쓰는 해수전지 만들 선행연구로 가치 있어

해수전지 구성 부품인 고체전해질의 안정성을 규명한 연구결과가 연이어 발표됐다. 해수전지는 바닷물 속 나트륨(Na+) 이온을 이용해 전기를 충전하고 원하는 때 뽑아 쓸(방전) 수 있는 친환경 에너지 저장 장치이다.

UNIST(총장 이용훈)는 이현욱‧김영식‧곽상규 교수 연구팀이 차세대 친환경 배터리인 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 정적· 동적 안정성을 2건의 개별 연구를 통해 검증했다고 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.

[연구그림] 해수전지 모식도와 다양한 구동환경(정적평가)에서 고체전해질 안성정실험

연구진은 “이번 연구로 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 입증했을 뿐만 아니라 충·방전 상황에서 발생하는 전기화학적 반응을 밝혔다”며 “이는 향후 새로운 해수전지용 고체전해질 개발의 길잡이 역할을 할 수 있을 것”이라고 기대했다.

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.

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.

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.

연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A (Journal of Materials Chemistry A)'와 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈 (Chemistry of Materials)’에 각각 지난해 10월 1일과 12월 29일에 게재됐다. 연구수행은 한국연구재단, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

※ 논문명: Chemical Stability and Degradation Mechanism of Solid Electrolyte/ Aqueous Media at a Steady-State for Long-Lasting Sodium Batteries. (Chemistry of Materials, IF 9.567 )

※ 논문명: Unveiling Interfacial Dynamics and Structural Degradation of Solid Electrolytes in a Seawater Battery System (Journal of Materials Chemistry A, IF 11.301)

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

에너지를 저장하는 장치로서 리튬 이온 배터리(리튬이온의 산화환원 반응을 이용해 전기를 충·방전하는 전지)는 휴대용 전자기기와 대형 에너지 저장장치 (ESS), 전기자동차 등에 널리 사용되어 왔다. 그러나 리튬 이온 배터리의 고질적인 단점인 폭발 위험성 때문에 이를 해결하기 위한 노력과 새로운 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또 전기차나 태양광이나 풍력을 이용한 전력 생산이 늘어나면서 EES에 대한 수요가 폭증하고 리튬금속 가격 폭등하고 있는 것도 또 다른 문제이다.

해수 전지는 리튬 이온 배터리를 대신할 수 있는 에너지 저장장치로 주목받고 있다. 해수전지는 지구 표면의 70%를 차지하는 해수 속 나트륨을 이용하기 때문에 화재의 위험이 없고 친환경적이며 생산 비용이 낮다. 고체전해질은 해수전지의 핵심 부품이다. 고체전해질은 나트륨이 포함된 음극을 물리적으로 해수와 분리하는 동시에 해수에 녹은 나트륨 이온을 선택적으로 통과시키는 중요한 역할을 하기 때문이다. 고체전해질은 높은 배터리 출력을 위해 이온 전도성이 좋아야 하며 전기화학적으로 안정해야 한다.

현재 고체전해질로는 ‘나시콘 (NASICON)’이라는 세라믹 소재가 활용된다. 일반적으로 분말 형태의 나시콘 물질을 고온의 용액에 함침시키면 용해현상이 일어났다. 압축된 펠릿 형태의 고체전해질을 사용하고 상온에서 구동되는 해수전지와 다른 환경에서 실험이 진행되어 온 것이다. 따라서 실제 해수전지에 사용되는 환경에서 고체전해질의 계면에서 일어나는 화학적 반응과 구조적 안정성에 대한 연구가 필요하다.

2. 연구내용

이번 연구에서 해수와 고체전해질 사이의 경계면에서 일어나는 화학적 반응과 이것이 고체전해질에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 고체전해질을 해수와 순수한 물에 담금으로써 정적인 상태에서 일어나는 치환반응(물속 H3O+(하이드로늄) 이온과 전해질속 Na+(나트륨)이온의 치환)과 해수전지를 충·방전 하는 동적인 상태에서 일어나는 구조적 변화 현상에 대해 이해했다.

펠릿형태 고체전해질은 기존에 보고된 가루 형태보다 상온에서 구조적으로 안정할 뿐만 아니라 고체전해질의 표면에서 일어나는 치환 반응의 경우 해수에서는 잘 일어나지 않는다. 반면 순수 물에서는 치환 반응이 활발히 일어나고, 치환 반응으로 인한 구조적 불안정성으로 고체전해질이 더 쉽게 깨졌다. 반면 해수 내 다양한 이온과 이들의 농도차로 인해 고체전해질을 해수전지에 사용했을 때 더 안정하게 구동할 수 있다. 특히 본 연구는 밀도 범함수를 활용하여 치환 반응 필요한 에너지를 계산하여 그 원인을 제시하였다.

이와 더불어 고체전해질의 단면 관찰을 통해 해수전지가 충전과정 중에 구조적으로 변형되는 현상을 관찰했다. 해수전지가 충전되면 양극 부분에서 추가적으로 H3O+ (하이드로늄) 이온(물이 분해돼 생기는 이온)이 생성되는데, 충전 시 흐르는 전류밀도가 클수록 그 농도가 증가한다. 본 연구는 해수의 산성도와 충전 전류 밀도를 조절함으로써 고체전해질과 해수 계면에서 발생하는 구조적 변화가 해수에 녹아 있는 H3O+이온의 침투로 인한 치환 반응임을 밝혀냈다.

3. 기대효과

해수전지에 사용되는 고체전해질 안정성과 신뢰도에 대해 살펴봄으로써 향후 화학적으로 더 안정적인 고체전해질을 개발하는데 크게 기여할 것으로 보인다. 소재의 성능을 향상시키기 위해 기존 소재의 문제점을 정확히 파악하고 문제의 원인을 해석하는 것이 중요하다. 그러므로 두 가지 관점에서 고체전해질의 계면에 대한 연구는 오랜 수명을 지녀야 할 해수전지를 개발하는데 일조할 것으로 보인다. 이 연구는 고체전해질의 성능을 증가하기 위해 다양한 방법들을 도입하는데 필요한 선행연구로서 지니는 의미가 크며 향후 고체전해질과 해수 계면에서 일어나는 화학적 반응을 연구에도 기여할 전망이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 해수전지의 구조와 여러 구동 환경(담수, 해수)에서 안정성 평가

(a) 해수전지의 개략적인 구조와 충전 방전 과정을 나타낸 모식도

(b, d)) 해수에서는 해수에 녹은 이온과 고체전해질 내부의 이온 사이에 치환 반응이 억제되어 구조적으로 안정적이다.

(c, e) 반면 순수한 물에서는 치환 반응이 잘 일어나며 구조적으로 불안정해지고 잘 부서진다.

그림2. 고체전해질을 해수전지 충·방전 과정에 노출시킨뒤(동적 안정성 평가) 구조적 변형 원인을 찾아냄

(a) 높은 전류 밀도에서의 해수전지 충전 방전 그래프

(b) 해수전지가 충전되면 해수 부분과 접촉하고 있는 부분에서부터 H3O+ 이온의 농도가 증가한다.

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‘해수전지’ 핵심 부품 안정성 원리 규명

UNIST 연구진, 해수전지 고체전해질 실사용 환경에 노출 시켜 안정성 입증 순수한 물보다 해수서 더 안정· 오래 쓰는 해수전지 만들 선행연구로 가치 있어

UNIST 연구진, 해수전지 고체전해질 실사용 환경에 노출 시켜 안정성 입증
순수한 물보다 해수서 더 안정· 오래 쓰는 해수전지 만들 선행연구로 가치 있어