▲ 연구진은 부반응으로 발생한 수소 가스를 촉매를 통해 용매인 물로 자동적으로 재생하는 기술을 적용해 수소 가스에 의한 내부 압력 상승 및 전해질 고갈 현상에 스스로 대처할 수 있음을 확인했다.

국내 연구진이 값싸고 안전한 배터리로 주목받는 수계이차전지의 상용화를 촉진할 기술을 개발하는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 오시형 박사 연구팀은 수소 가스 발생으로 인한 전지의 내부 압력 상승과 고갈 현상에 스스로 대처할 수 있는 수계이차전지를 개발했다고 지난 19일 밝혔다. 

현재 전기차, ESS 등으로 사용 중인 리튬이온전지는 에너지밀도는 높으나 주요 소재 가격이 비싸고 유기용매 전해질을 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험을 안고 있다. 반면 물을 전해질로 사용하는 수계이차전지(아연이차전지, 수계리튬전지, 수계나트륨전지 등)는 리튬이온전지에 비해 에너지밀도는 낮지만 친환경적이고 안전하며 원재료 가격이 1/10 수준으로 가격경쟁력이 높아 리튬이온전지를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그러나 수계전해질의 전지 내 금속 음극의 부식 혹은 전극 반응에 수반된 부반응으로 전지 내에서 소량의 수소 가스가 지속적으로 발생한다. 전기차, ESS 등 중대형 이차전지로 장기간 운영 시에는 전해질 고갈에 의한 갑작스런 성능 열화 및 전지 내부 압력의 상승으로 인한 폭발이 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 금속표면에 보호막을 형성하는 등 부반응의 속도를 줄이는 연구가 진행 중이나 수소 발생을 근원적으로 차단하기는 어려웠다.

이에 연구진은 이산화망간-팔라듐으로 이루어진 촉매를 개발해 부반응으로 발생하는 수소 가스를 전해질인 물로 자동 전환하는 자기조절 기능이 작동함을 확인했다. 이산화망간은 일반적인 상황에서는 수소 가스와 아무런 반응을 하지 않지만 소량의 팔라듐이 같이 존재하게 되면 수소를 흡수하여 물로 전환시킬 수 있는 특성이 있다. 

새롭게 개발한 촉매를 적용한 수계이차전지는 셀 내부의 압력이 0.1 기압 수준으로 유지됐으며 전해질 고갈 현상도 발생하지 않았다.

이번 연구성과는 물을 이용하는 수계이차전지 충·방전 과정에서 발생할 수밖에 없는 수소를 통제할 수 있음을 밝힘으로써 향후 ESS와 같은 중대형 이차전지에 수계이차전지가 사용될 수 있다는 가능성을 보여준 것이다. 

KIST 오시형 박사는 “본 기술은 수계이차전지에 적용할 수 있는 맞춤형 안전 전략으로 위험 요소가 발생하면 내부에 설치된 안전 메커니즘에 의해 저절로 통제할 수 있도록 전지를 설계한 것”이라며, “아울러 수소 가스의 누출이 큰 위험 요인이 될 수 있는 수소저장시설 등 다양한 산업 현장에 적용해 국민의 안전을 지키는 데 활용될 수 있다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’(IF 20.4)에 8월1일 게재됐다.