[사이언스] ‘해수전지’ 핵심 부품 안정성 원리 규명

UNIST 연구진, 해수전지 고체전해질 실사용 환경에 노출시켜 안정성 입증

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2021/01/13 [17:35]

[사이언스] ‘해수전지’ 핵심 부품 안정성 원리 규명

UNIST 연구진, 해수전지 고체전해질 실사용 환경에 노출시켜 안정성 입증

특허뉴스 선우정 기자 | 입력 : 2021/01/13 [17:35]

 

순수한 물보다 해수서 더 안정·오래 쓰는 해수전지 만들 선행연구로 가치 있어

 

▲ 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  © 특허뉴스

 

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.

 

UNIST는 이현욱김영식곽상규 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.

 

연구진은 이번 연구로 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 입증했을 뿐만 아니라 충·방전 상황에서 발생하는 전기화학적 반응을 밝혔다이는 향후 새로운 해수전지용 고체전해질 개발의 길잡이 역할을 할 수 있을 것이라고 기대했다.

 

고체전해질은 바닷물로부터 전극을 보호하고 바닷물 속 나트륨 이온만을 선택적통과 시키는 필터역할을 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 크다해수전지에서 핵심적 역할을 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여, 더 오래 쓸 수 있는 해수전지를 개발하는 데 도움이 될 것이라고 설명했다.

 

두 논문의 공동 1저자인 이찬희 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 현재 한국에너지기술평가원에서 제공하는 글로벌 혁신 인재 양성 프로그램을 통해 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)'케미스트리 오브 머티리얼즈 (Chemistry of Materials)’에 각각 지난해 101일과 1229일에 게재됐다.

 

논문명은 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, Unveiling Interfacial Dynamics and Structural Degradation of Solid Electrolytes in a Seawater Battery System  (Journal of Materials Chemistry A, IF  11.301이다.

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