KAIST, 세계 최고 수명 지닌 불타지 않는 ESS 수계전지 개발,수계 아연-브롬 레독스흐름전지 개발 성공,높은 충·방전 성능 5,000 사이클 이상 장수명 새글

KAIST, 세계 최고 수명 지닌 불타지 않는 ESS 수계전지 개발

높은 충·방전 성능의 5,000 사이클 이상 장수명 전지 개발 성공
(20.10.06)

 

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 카이스트(KAIST, 총장 신성철)는 10월 5일, 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 아연 전극의 열화 메커니즘을 규명하고 이를 해결함으로써 전 세계에서 보고된 모든 레독스흐름전지 가운데 가장 오래가는 수명을 가지는 수계 아연-브롬 레독스흐름전지 개발에 성공했다고 밝혔다.


고밀도 탄소 결함 계면을 통한 아연 덴드라이트 형성 억제 기술 개요도 [자료=KAIST]

KAIST 생명화학공학과 이주혁 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘Energy and Environmental Science’ 9월호에 게재되는 한편 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries)

최근 들어 신재생에너지의 간헐성을 보완하고 전력 피크 수요를 충당하기 위해 신재생에너지 및 심야 전력을 대용량으로 저장, 필요할 경우 저장된 에너지를 설비에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 에너지저장시스템(Energy storage systems, 이하 ESS) 기술이 각광받고 있다.

현재 대부분의 ESS는 값이 저렴한 ‘리튬이온전지’ 기술을 채택하고 있지만, 리튬이온전지는 태생적으로 발화로 인한 화재 위험성 때문에 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받아왔다. 실제 2017~2019년까지 2년 간 국내에서 발생한 리튬이온전지로 인한 ESS 화재사고 33건 가운데 가동이 중단된 곳은 전체 중 35%에 달한다. 현재까지 집계된 손해액만도 약 7,000억원 이상으로 추정되고 있다.

이에 따라 최근에는 배터리 과열 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 수계(물) 전해질을 이용한 레독스흐름전지가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 초저가의 브롬화 아연(ZnBr2)을 활물질로 이용하는 아연-브롬 레독스흐름전지는 다른 수계 레독스흐름전지와 비교할 때 높은 구동 전압과 함께 에너지 밀도를 높일 수 있고, 가격이 싸다는 장점 때문에 70년대부터 ESS용으로 개발돼왔다.

레독스흐름전지(Redox Flow Battery)는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지는 저장하는 전지이다.

문제는 아연-브롬 레독스흐름전지의 경우 아연 음극이 나타내는 짧은 수명 때문에 상용화가 지연되고 있다는 점이다. 특히, 아연 금속이 충·방전 과정 중에 보이는 불균일한 돌기 형태의 덴드라이트 형성은 전지의 내부 단락을 유발해 수명을 단축하는 주요 원인으로 지적되고 있다. 덴드라이트(Dendrite)는 아연 이온이 환원돼 금속 전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다.

현재 덴드라이트 형성 메커니즘은 명확히 규명되진 않고 있지만 충전 초기 전극 표면에 형성되는 아연 핵의 불균일성 때문일 것으로 전문가들은 추정하고 있다. 이런 문제 해결을 위해 그동안 균일한 핵의 생성을 유도하는 기술이 경쟁적으로 개발돼왔으나 여전히 충분한 수명향상 효과를 얻지 못하고 있다.

김희탁 교수 연구팀은 낮은 표면에너지를 지닌 탄소 전극 계면에서는 아연 핵의 ‘표면 확산(Surface Diffusion)’을 통한 ‘자가 응집(Self-Agglomeration)’ 현상이 발생한다는 사실에 주목하고 양자 역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 전송 전자 현미경 분석을 통해 자가 응집 현상이 아연 덴드라이트 형성의 주요 원인임을 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 이와 함께 특정 탄소결함구조에서는 아연 핵의 표면 확산이 억제되기 때문에 덴드라이트가 발생하지 않은 사실을 발견했다.

탄소 원자 1개가 제거된 단일 빈 구멍 결함(Single Vacancy Defect)은 아연 핵과 전자를 교환하며, 강하게 결합함으로써 표면 확산이 억제되고 균일한 핵생성 또는 성장을 가능하게 한다. 김 교수 연구팀은 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스흐름전지에 적용해 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도(100mA/cm2)에서 5,000 사이클 이상의 수명 특성을 구현하는데 성공했다. 연구팀 관계자는 지금까지 다양한 레독스흐름전지에 대해 보고된 결과 중 가장 뛰어난 수명성능을 지닌 전지라는 점을 강조했다.

KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 “차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과”라면서, “기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5,000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.

http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=39782

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(서울경제신문 20.06.03)

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-전남 영암군 삼호읍 서창리 인허가완료, 500KW 한전접속대기

-경북 의성군 다인면 달제리 가중치 1.0,인허가완료 용량 300KW

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신규 부지 매도함,1,668평, 100KW 5개소(500KW)설치 가능함

한전 아포 DL 3MW 여유 용량 있음

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목장용지, 전,부지면적 :8,823평 2.4MW 태양광 부지

추가로 인근에 4,200평 부지 추가 매입 가능,속사 DL이 현재 3.4mw 여유

- 전남 보성군 겸백면 수남리 일대,400KW 3개소 100KW 3개소 합 1500KW 한전접속대기

-경기도 여주시 대신면 장풍리 1.5MW [1MW(장기계약 164원/KW, 장풍500KW 미장기계약] 공사가능함.

- 전북 장수군 계남면 화음리 1MW (498KW + 467KW상업발전 중임.

-전남 순천시 황전면 평촌리 1.5MW (990KW +499KW) 인허가완료,공사가능함.

- 전남 보성군 미력면 덕림리 500KWx4개소, 300KWx2개소, 200KWx2개소 [전체 3MW],인허가완료,한전접속대기

-전남 신안군 팔금면 6MW 태양광발전소(부지매도 가능) 개발행위허가 완료된 임대 사업권 양도, 4MW 발전사업허가 완료, 개발행위허가 접수하여 심의 진행 중이며 완료 시에 바로 PPA 접수 예정임

-경북 군위군 소보면 보현리 인허가완료 1MW 공사가능함.

-충남 태안군 태안읍 주차장 20년간 임대 1,500KW 상업발전 중 태양광발전소 양도, 1500KW 태양광발전소 설치 운영 중임, REC장기계약됨.

-전남 보성군 복내면 동교리 797-2 100KW 9개소 인허가완료, 한전접속대기

 

■동식물사육사 가중치1.5 부지분양 중임. 문의요함(21.01.01부로 건축(동물사육사,창고)형 준공 시에 1년 지난 후에 태양광발전사업 신청시에만 가중치 1.5임, 사실상 가중치 1.2로 하락 수익률 동반 하락함).

1. 경북 봉화군 법전면 눌산리(전, 답) 일대 한국형 FIT 참여, 부지분양 발전사업허가 개발행위허가 PPA접수 완료, 20년 10월 상업발전 예정.

 

A. [부지분양 중] 수도권 경기 화성시, 21년도 3월 준공 예정 한국형 FIT 참여, 식물재배사(버섯) 부지분양하니 연락바랍니다.

1. 경기도 화성시장안면 덕다리 476-1 일대,

2. 발전소 용량 50KW ×3개소=150KW , 75KW ×18개소=1,350KW(1.35MW), 총1,500KW(1.5MW)

3. 시공비용 100KW급당 2.2억원(토지 4250만원, 0.425억원+버섯사 및 태양광발전소 1.775억원= 합2.2억원), 자기자본 8000만원~1억원, 대출 1.2~1.4억원

모듈 및 인버터(현대중공업),

 

[20년도 매도완료] 곤충사 + 태양광발전소 , ①천안 성환읍 복모리 일대 100KW 급 4개소, 75KW 4개소 700KW용량, 100KW급과 75KW급 1개단지씩 분양함 ②아산시 도고면 봉농리 일대 100KW, 9개소, 900KW용량, 100KW+100KW 1개단지씩 분양함. (곤충사육사로~).

▶도시인 등 , 일반인 농지 매수 한국형 FIT 참여 가능 (문의 환영 , 위의 연락처로 전화 ,문자 ,이메일 활용 )

 

100KW 당 자기자본 1 억원이면 참여로 75KW 0.7 억원 2 개소 1.7 억원 가능함 .

한전접속 가능 , 농업인 , 축산인 등 가능함 .

 

한국형 FIT 적용, 도시 일반인 농지 매수 한국형 FIT 참여 가능 (문의 환영, 위의 연락처로 전화 ,문자 ,이메일

 

※은퇴 ,명퇴 ,희망퇴직 ,일정 자본 보유자와 귀농과 귀촌 , 사업 업종 전환자 (건물 임대업 , 개인사업 , 자영업 , 기타 ), 안정적인 수익사업으로 태양광발전사업을 권장합니다 .

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■서울시 아파트 베란다형 ‘미니 태양광발전소’ 설치 시 비용 지원, 용량 50W~1KW까지, 20년 3월부터 11월말까지 선착순 마감함. 문의 바랍니다. 큰 주택용 1~3KW, 3KW이상 태양광발전소 설치 시 비용 지원도 공고할 예정임.

■농촌 태양광 설치도 문의 바랍니다. 농 ·어업 및 축산업 종사자가 태양광 사업을 통해 소득증대를 도모할 수 있도록 평균금리 1.75%, 5 년거치 10 년분할 상환하는 저리의 정책자금을 지원하는 사업이며 , 설치비의 90% 지원과 수시신청 가능해 농가 태양광발전 설치자금 쉽게 활용 가능하며, 100KW 이하 한국형 FIT 참여 장기계약(2020년도 174원/KW, REC 77원+SMP 97원 꼴임)으로 안정적 소득 창출 가능함 .

■ [매도완료함, 3차 부지분양] ,건축허가 완료, 20년 01월 성토 및 토목공사 중,경기 안성시 미양면 죽리 일대, 지목 답(논)

곤충사 + 태양광발전소, 200KW 급 4 개소 (매도 완료), 100KW 8개소(한국형 FIT 참여 가능, 농지 취득 후 농업 경영으로 지자체 농업인 등재(록) 후 참여 가능함)

합 800KW, 한전 전접속 가능함.

 

(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템 )

[ 1TW=1,000GW, 1GW=1000MW, 1MW=1000KW ]

 

카페지기 서정진 전무 010-3678-4344, sjj9191@hanmail.net

 

■전국지역 한전접속 대기 물량 부지 매도 및 매수를 원하시는 사업주 분들은 연락 바랍니다.

[건축물 태양광 건물주 설치 및 타인에게 임대 건]

1. 공장 창고 기타 건축물 지붕 및 옥상을 소유하고 있는 건물주 분들에게 태양광발전소를 설치를 할 시에 대출 자본 PF를 일으켜 선시공을 함. 자기자본금 0%을 투입을 하여서 발전소 설치 가능

1) 건출물 태양광발전소 3,000KW(3MW)이내 가중치 1.5로 수익이

일반 노지(땅) 태양광발전소 가중치 1.0(100KW~1,000KW)보다 높습니다.

2) 태양광발전소 거치기간 없이 7년 원리금 균등 분할 상환
(대출금 수수료 및 비용 포함 대출함. 건축물 담보 설정, 기타 관계 없이 대출이 가능함)
3)(자기자본 투입없이 1MW기준 13억원 대출 가능하여 시공까지 완료함).
4)건물주가 태양광발전소 설치나 혹은 건물 임대 시 임대료 지불하며 임차인이 태양광발전소 설치함.
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자세한 것은 위의 카페를 통하여 보시고 , 전화 , 문자 , 이메일로 문의 바랍니다.

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[부지분양 매도 중,곤충사육사+태양광발전소, 한국형 FIT 장기계약 174원/KW(SMP 97원 + REC 77원), 가중치 1.5 적용,

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1. 태양광발전소용 부지 매입합니다 (지목 임야는 제외 , 4,000 평 이상을 원하나 , 2000 평 규모도 가능하며 , 수만에서 수십만 평 매수 가능함 )

2. 발전사업허가 및 개발행위허가 진행 중이거나, 공사 직전이거나 공사 중이거나 혹은 상업발전 중인 태양광 발전소도 매수합니다 .

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그 동안 태양광발전소에 대한 실적은 아래와 같습니다

 

■태양광발전소 → 전남해남 35MW 공사완료 , 영암 25MW 공사 ,

전남지역 100KW 급 (43 개소 4.3MW 분양완료), 신안 500KW 급 20 개소 (10MW) 임차 분양 완료 및 개발행위허가 완료 (공사 완료 ,20년 6월).

 

▶전국의 땅 ,건축물 (공장, 창고, 빌딩, 상가, 축사, 동식물재배사, 기타 ) 태양광발전소 , 주택 ’3KW‘ 설치 문의요 , 농업진흥구역에 건축물 위 태양광설치와 영농형 태양광설치 문의 요

 

▶ESS (에너지저장장치 ) 설치 및 임대 , 임야 가중치 1.0 에서 0.7 로 하향으로 수익보전 대안 ESS 설치 권장 (18.05.18), 태양광 +ESS 설치 문의 환영 .

 

※은퇴, 명퇴, 희망퇴직, 일정 자본 보유자와 귀농과 귀촌, 사업 업종 전환자 (건물 임대업, 개인사업, 자영업, 기타)안정적인 수익사업으로 태양광발전사업을 권장합니다.

 

카페지기 서정진 전무 010-3678-4344, sjj9191@hanmail.net