UNIST, 고성능 금속 배터리 상용화 이끌 금속 전극 개발

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 울산과학기술원은 에너지 및 화학공학부 이현욱(왼쪽)·김영식(오른쪽) 교수팀이 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 고성능 금속 전극을 개발했다고 14일 밝혔다. 2019.02.14. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 배터리 용량을 키우는 이상적 방법인 금속 전극을 쓰는 금속 배터리를 만드는 과정에서 금속 전극의 수명과 안전성을 높이고 대량생산까지 성공한 연구가 나와 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 이현욱·김영식 교수팀이 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 고성능 금속 전극(탄소섬유-금속 복합재)을 개발했다고 14일 밝혔다.

연구진은 이 공정을 이용해 리튬이나 나트륨 금속 전극을 대량생산하는 기술도 확보했다.

이 기술로 대량생산한 나트륨 금속 전극은 10㎾급 해수전지 에너지 저장장치(ESS)에 적용하기도 했고, 이 설비는 지난해 12월 동서발전 화력발전소에 장착돼 한 달여간 시범 시험을 마쳤다.

연구진은 금속 배터리의 성능 향상에 초점을 맞추던 기존 연구들과 달리 사용화 측면에서 접근해 전극 소재의 대량생산을 시도·성공, 전극 소재를 실제 장비에 적용한 시험도 진행한 만큼 고성능 금속 배터리 상용화에 기여할 것이라고 내다봤다.

금속 전극은 기존 흑연 전극보다 용량이 약 10배 정도 큰데다 구동 전압이 낮아 차세대 음극 물질로 각광받는다.

그러나 배터리 구동 시 전극 표면에 나뭇가지 모양의 결정(수지상 결정)이 생기면서 성능이 낮아지는 고질적인 문제점을 안고 있다.

이번 연구에서는 탐소섬유를 가공해 미세한 틈새를 만들고, 여기에 금속 액체를 스며들게 하는 방식으로 새로운 금속 전극을 제작했다.

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 울산과학기술원은 에너지 및 화학공학부 이현욱(왼쪽)·김영식(오른쪽) 교수팀이 탄소섬유의 미세한 틈새로 액체 금속이 스며들게 하는 공정으로 고성능 금속 전극을 개발했다고 14일 밝혔다. 사진은 공정에 의한 탄소섬유의 특성 변화 분석과 전지 성능 평가 그림. 2019.02.14. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

탄소섬유 사이에 리튬이나 나트륨 금속이 스며든 복합재는 배터리 구동 시 수지상 결정의 형성이 제어됐고, 이 덕분에 금속 전극의 안전성이 향상되고 배터리 전체 수명도 늘어났다.

금속 액체는 탄소섬유에 닿자마자 스며들기 때문에 전극 제작에는 10초 정도 소요된다. 탄소섬유는 천 등의 옷감 같은 직물 형태라 유연성이 뛰어난데 이 점을 이용하면 전극 모양도 자유롭게 제작할 수 있다.

김영식 교수는 "해수전지는 무한한 바닷물 속 나트륨 이온을 활용하기 때문에 자원 고갈의 염려가 없는 새로운 에너지 저장 시스템"이라며 '배터리의 성능을 향상시킬 전극을 개발하고 대량생산 공정까지 갖춘 만큼 사용화도 더욱 앞당겨질 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 표지 논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.

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