A smart grid is a power grid that provides high-quality power services and maximizes energy use efficiency by intelligentizing and upgrading the power grid using battery and information and communication technologies. In addition, the smart grid can reduce energy waste by improving energy efficiency and prevent global warming by reducing the use of fossil fuels in the existing power generation facilities by reducing energy waste and activating distributed power based on new and renewable energy. The core of such a smart energy grid is to efficiently store and supply electric energy by dividing grid energy storage and mobile energy storage. Actually, the battery requirements for each grid energy storage and mobile energy storage are quite different.
However, it is a reality that lithium-ion batteries that exhibit high technological maturity and economic feasibility have been applied uniformly in the electrochemical-based energy storage device technology, which is the core technology of the smart energy grid. Therefore, developing a secondary battery technology suitable for different demands such as future grid energy storage and mobile energy storage will be a more strategic and effective way to build a smart energy grid.
In line with this point of view, each chapter is divided into large-capacity energy storage and small-capacity energy storage, and studies were conducted to bring the electrochemical performance and economic feasibility of different systems into a commercially available stage.
Chapter 2 deals with highly defective carbon electrode to relieve the poor reversibility of zinc-bromine redox flow batteries (ZBBs). The key idea is to introduce a single vacancy carbon defect that causes strong orbital hybridization with Zn adatom to suppress the self-agglomeration of zinc adatom, which is associated with zinc dendrite growth. As a result, by applying a carbon electrode having a high defect density to ZBB, the reversibility of zinc dramatically increased, and a long-term cycling of more than 5,000 cycles was demonstrated. Chapter 3 developed a membraneless flowless Zn-Br battery (MLFL-ZBB) that lowers the high levelized cost of energy stored (LCOES) of ZBB and lithium ion batteries (LIBs). The main point is that a multifunctional electrode developed through a porous electrode doped with a large amount of nitrogen operates an aqueous battery that can be driven without the use of a separator and pumping system. As a result, the possibility of a new concept aqueous secondary battery technology capable of stably operation for about 1,000 cycles was proposed. Chapter 4 deals with the technology of anode-free lithium metal batteries (AF-LMBs) with high reversibility through a three-dimensional current collector with a high carbon defect density. Through a carbon defect structure that can suppress electrolyte decomposition reaction and lithium dendrite formation at the same time, we developed AF-LMBs that operates stably under high current density charging and discharging conditions while using lean electrolyte, room temperature, normal pressure, and high capacity cathode.
스마트 그리드는 양질의 파워 서비스와 에너지 효율을 극대화하기 위해서 전력계통의 지능화 및 정보화가 집약된 기술로써 이는 이차전지와 통신 기술로 이루어진 파워 그리드이다. 게다가, 스마트 그리드는 화석연료의 사용을 감소시키고 새로운 신재생 에너지를 더욱 효율적으로 분배함으로서 더욱 기존의 에너지 시스템을 개선하는데 효과적이다. 이러한 스마트 에너지 그리드를 구성하는 핵심 요소 기술은 전기 에너지를 효율적으로 저장하고 공급하는 것이며, 특히 스마트 에너지 그리드는 대용량의 전력을 저장하는 용도와 휴대용 전력을 저장하는 용도로 나누어진다. 실제로, 스마트 에너지 그리드에 사용되는 배터리 기술에 요구되는 기술 요건은 대용량 전력 저장용과 휴대용 전력 저장용이 각기 상이하다.
그러나, 기존의 리튬이온전지의 높은 성능과 기술 성숙도로 인해서 대용량과 휴대용 전력 저장 시스템이 각기 요구하는 기술 요건의 차별성을 충족시키지 못함에도 모두 적용이 이뤄지고 있다. 이러한 관점에서, 미래의 스마트 에너지 그리드에 적용되는 이차전지는 대용량과 휴대용을 분리시켜 개발하여 적용하는 것이 더욱 효율적임을 여전히 시사하고 있다.
Chapter 2에서는 높은 탄소 결함 구조를 도입함으로써 대용량 에너지를 저장하는데 용이하다고 알려진 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 가역성을 개선하였다. 본 연구의 핵심 아이디어는 결함구조와 아연 아다톰, 핵들과 강한 오비탈 혼성화를 통해 아연 덴드라이트의 형성 원인인 아연의 표면 확산을 억제하는 것이다. 결과적으로 아연 음극의 가역성을 급격히 개선 시킴으로써 고전류밀도에서 약 5,000 이상 운전되는 기술을 선보였다. Chapter 3에서는 기존의 레독스 흐름 전지의 높은 Levelized cost of electricity stored (LCOES)를 리튬이온전지보다 낮춤으로써 실용화에 근접한 새로운 기술을 선보였다. Chapter 4에서는 리튬금속전지의 핵심적인 열화 요인인 전해질 분해반응과 리튬 덴드라이트 형성을 동시에 억제할 수 있는 탄소 집전체 기술에 대해 개발을 진행하였다. 이를 통해 대용량 전력저장 기술과 휴대용 전력 저장 기술을 모두 개발하였다. 특히, 기존에 삽입되는 리튬박막과 과량은 전해액을 사용하지 않을 뿐만 아니라, 고용량 양극을 사용함으로써 구동될 수 있는 새로운 전극 기술을 설계 방향을 제시하였다.
