서울대 공대 김성재·강기석 교수팀, 레독스 흐름 배터리 실시간 동작 중 가시화 분석 플랫폼 개발

레독스 배터리 분석 플랫폼 개발 성공, ‘미국국립과학원회보’ 논문 선정

복잡한 배터리 시스템의 효과적인 분석 플랫폼으로 세계서 주목

뉴스 제공

2022-02-25 09:00

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서울--(뉴스와이어)--서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 전기정보공학부 김성재 교수팀과 재료공학부 강기석 교수팀이 공동 연구를 통해 막이 없이도(membrane-free) 전해질들이 이온을 교환할 수 있는 레독스 흐름 배터리 시스템을 구현하고, 이를 복합적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 검증했다고 25일 밝혔다.

연구진은 서울대학교 재료공학부 강기석 교수팀이 자체 개발한 친환경 유기전해질을 사용함으로써 기존의 레독스 흐름 배터리에서 사용되는 바나듐(Vanadium, 자원이 한정돼 있고, 독성을 나타냄)을 대체했을 뿐 아니라, 전해질이 가진 전자의 상태에 따른 2단계 색 변화 특성과 유체역학에서 나타나는 유체가 서로 섞이지 않고, 나란히 흐르는 층류 현상(laminar flow)을 결합해 체계적으로 분석한 끝에 결과를 얻을 수 있었다.

이 연구 내용은 실험값과 함께 수치해석 해와 분석 해를 통합적으로 제시하며, 레독스 흐름 배터리 시스템뿐만 아니라 액체 전해질을 사용하는 다른 배터리 시스템의 분석에도 적용할 수 있는 점이 우수하게 평가됐다.

레독스 흐름 배터리는 양극성 전해질과 음극성 전해질의 산화·환원 반응에 기반해 전기에너지와 화학에너지를 상호 변환 및 저장하는 장치다. 배터리 내에서 양극성, 음극성 전해질들은 물리적인 막을 통해 서로 섞이지 않게 분리돼 있고, 막을 통해 이온 교환을 한다. 하지만 이 막은 배터리 시스템에서 많은 비용을 차지하고 있고, 내부에서 결함을 유발할 수 있다는 단점이 있다.

이번 연구는 기존에 상용화된 레독스 흐름 전지가 가진 물리적 막의 단점을 극복했기에 의미가 있을 뿐만 아니라, 매우 복잡한 시스템인 배터리 장치의 분석에서도 실시간 동작 중 유체역학적, 전기화학적 현상을 가시화하고 실험값, 수치해석 및 분석 해를 통합적으로 제시하며 중요한 분석 플랫폼임을 검증했다는 점에서 중요성이 크다.

이번 연구를 응용하면 배터리 셀 내부에서 막을 배제해도 이온 교환을 일으킬 수 있으며, 전기화학 반응을 실시간 동작 중에 가시화해 전기화학 반응의 정도를 확인하고, 배터리 성능에 악영향을 주는 이온 공핍층을 시각화해 효율적인 배터리 셀의 설계를 도출할 수 있을 것으로 전망된다.

서울대 김성재 교수와 강기석 교수는 “미세유체장치(microfluidics) 특징 가운데 가장 효용 가치가 높은 가시화 장점을 십분 활용해 배터리 성능을 높이는 설계 도구로 재탄생시킨 연구”라며 “현재 공동 연구팀은 이 기술을 활용해 다른 차세대 배터리 응용과 해수담수화 장치에 적용하는 플랫폼을 개발 중”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 세계 최고의 융·복합 학술지인 미국국립과학원회보(Proceedings of National Academy of Science, PNAS)에 2022년 2월 24일 온라인으로 게재됐다.

*In operando visualization of redox flow battery in membrane-free microfluidic platform, PNAS, 119(9), e2114947119

미국국립과학원회보 연구 논문 게재 페이지: https://www.pnas.org/content/119/9/e2114947119

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/