나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학 물리 연구소 산하 ‘에너지 저장 기술 연구부(DNL17)’ 리셴펑(李先鋒), 장화민(張華民) 연구팀은 ‘장 수명 아연(zinc) 베이스 흐름 전지(flow battery)용 복합 이온 전도 막(composite ion conductance film)’ 개발에 성공함.

‘아연 베이스 흐름 전지(ZFBs)’를 이용하는 에너지 저장 기술은 원가가 저렴하고, 안전하고, 환경 친화적인 특징을 보유하고 있기 때문에 분산 방식 에너지 저장 분야에서 응용 전망이 매우 밝음.

하지만 아연 덴드라이트(Zinc dendrite)/아연 누적 문제 때문에 이런 유형의 전지는 순환 수명이 떨어지고 충전과 방전 성능이 취약하여 응용에 제한을 받고 있으며, 이온 전도막은 아연 침적 형태와 아연 덴드라이트 성장을 조정, 제어할 수 있기 때문에 전지 순환 안정성을 향상시키는데 중요한 역할을 하고 있음.

연구팀은 이번 연구를 수행하는 과정에서 ‘막 재료의 전기 부하 특성은 아연 침적 방향과 형태에 대한 조정 제어를 실현할 수 있기 때문에 아연 베이스 흐름 전지의 면(面) 용량과 전지의 순환 안정성을 대폭 향상 시킨다’는 점을 발견함.

연구팀은 높은 열 전도성과 높은 기계적 강도를 가지고 있는 질소화 붕소 나노 시트(BNNSs)를 다공성 베이스 막 속에 도입하여 복합 이온 전도막을 개발하였음. 음극 제조용 BNNSs는 한 면으로 전극 표면 온도 분포를 효과적으로 개선하는 동시에 아연 침적 형태를 한층 더 조절하는 것으로 나타났으며, 다른 한 면으로 높은 기계적 강도를 보유하고 있는 특성은 과다 성장하는 아연 덴드라이트가 막 재료를 파괴할 수 있는 상황을 효과적으로 차단할 수 있는 것으로 나타났으며, 두 가지 부분의 협동 역할은 전지의 순환 수명을 뚜렷이 향상시킬 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 질소화 붕소 나노 시트(BNNSs)를 다공성 베이스 막 속에 도입하여 개발한 복합 이온 전도막을 이용하여 알칼리성 아연 철 흐름 전지를 조립하였는데 동 전지는 80 mA/cm2 전류 밀도 조건에서 안정적으로 운행이 되고 있으며, 500회 충전 및 방전 순환 후(약 800h 수준에 달함)에도 뚜렷한 감퇴가 발생하지 않는 것으로 나타났으며, 200 mA/cm2 전류 밀도 조건에서도 에너지 효율성은 80% 수준을 넘는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("A Boron Nitride Nanosheets Composite Membrane for a Long‐Life Zinc‐Based Flow Battery")지에 게재됨.