해수전지 모식도와 다양한 구동환경에서 고체전해질 안성정 실험/UNIST 제공
리튬 이온 배터리를 대신할 수 있는 해수 전지의 핵심 부품인 고체 전해질의 안정성이 규명됐다.
울산과학기술원(UNIST) 이현욱‧김영식‧곽상규 교수 연구팀이 차세대 친환경 배터리인 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 정적·동적 안정성을 2건의 개별 연구를 통해 검증했다.
해수전지는 바닷물 속 나트륨(Na+) 이온을 이용해 전기를 충전하고 원하는 때 뽑아 쓸 수 있는 친환경 에너지 저장 장치다.
연구팀은 고체전해질 소재를 실제 해수전지에 쓰이는 ‘펠렛’(Pellet, 가루를 뭉친 얇은 덩어리)형태로 제작해 활용했다.
바닷물이나 충·방전과 같은 동적 변화에 노출시켜 해수전지용 고체전해질의 안정성을 입증했다.
고체전해질은 바닷물로부터 전극을 보호하고 바닷물 속 나트륨 이온만을 선택적 통과시키는 ‘필터’ 역할을 하는 해수전지의 핵심부품이다.
하지만 아직까지 해수전지 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 살펴본 사례는 없었다.
연구팀은 고체 전해질이 순수한 물(증류수)보다 오히려 다양한 이온이 공존하는 바닷물에서 더 안정적인 것을 밝혀냈다.
이 분말을 압축해 만든 고체전해질이 바닷물에서는 안정하게 구동한 것이다.
이온 농도차로 인해 고체전해질 구성 성분이 밖으로 흘러나오는 반응이 억제되기 때문이다.
기존 고체전해질 소재의 경우 입자 형태로 존재할 경우 물에 녹는다고 알려져 있다.
연구팀은 “이번 연구로 해수전지에 쓰이는 고체전해질의 안정성을 실제 구동 환경에서 입증했을 뿐만 아니라 충·방전 상황에서 발생하는 전기화학적 반응을 밝혀냈다”며 “향후 새로운 해수전지용 고체전해질 개발의 길잡이 역할을 할 수 있을 것”이라고 기대했다.
동적안정성(충방전) 평가를 통해 구조변형 원인을 찾아낸 결과/UNIST 제공
또 연구팀은 해수전지가 충전과 방전을 하는 동적 상황에서 고체전해질과 해수면 사이(계면)에 일어나는 반응 또한 밝혀냈다.
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”며 “해수전지에서 핵심적 역할을 하는 고체전해질의 안정성과 신뢰도를 높여 더 오래 쓸 수 있는 해수전지를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.
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 게재된 바 있다.
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