“화재 위험 원천봉쇄”…에너지硏 ‘수계아연전지’ 상용화 난제 해결

- 수계아연전지 치명적 문제 덴트라이드 형성 억제 성공

한국에너지기술연구원 연구진이 수계아연전지의 증착 구조를 파악하고 있다.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국에너지기술연구원 광주친환경에너지연구센터 우중제 박사 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수 연구팀과 수계아연전지의 덴드라이트 형성을 제어할 수 있는 전극 제조 핵심기술을 개발했다.

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로 휘발성의 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지에 비해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 이온 당 한 개의 전자를 이용하는 리튬 이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 용량을 기대할 수 있다.

하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연이 길쭉하게 증착되는 덴드라이트 현상이 발생해 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 형성된 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 전기적 단락을 발생시키고 전지의 성능에 심각한 영향을 미치기 때문이다. 특히 덴드라이트는 리튬 이온전지보다 수계아연전지에서 더 활발하게 형성되기 때문에 기술 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

연구진은 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 제작된 전극을 전지에 적용한 결과, 기존 전지 대비 10배 이상 향상된 수명을 나타냈다.

기존에는 구리 등의 유도제를 첨가해 아연의 초기 성장을 촉진하고 균일하게 증착되도록 유도하면서 덴드라이트 형성을 억제하는 방식이 주로 활용됐다. 그러나 전지의 충·방전이 반복되면 덴드라이트 형성이 재발한다는 문제가 있었다.

아연 전극(b)과 카본 전극(c)에 비해 균일한 개발 전극(a).[한국에너지기술연구원 제공]

연구진은 산화구리를 활용해 단계적으로 덴드라이트 형성을 제어하는 방법을 고안했다. 산화구리는 일반 구리와 마찬가지로 아연의 초기 성장을 촉진하고 유도 증착시키는 역할을 수행한다. 또 아연을 균일한 분포로 증착시키는 데 최적화된 전도성을 갖고 있어 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다.

연구진은 아연 증착을 제어해 세계 최고 수준인 60mAh/cm2의 면적 당 용량을 달성하는데 성공했다. 또 3000회 이상의 전지 성능 실험을 통해 내구성을 입증했으며 64㎠의 대면적 전극에도 활용할 수 있다는 점도 확인했다.

우중제 박사는 “이번 연구는 수계아연전지의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공한 것”이라며 “향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화하는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 8월호 표지논문으로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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