화재 위험 없고 수명 긴 '수계아연 이차전지' 기술 개발

울산대 최원묵 교수팀, 수계아연 이차전지 수명 연장 첨가제 개발

최원묵 교수 연구팀의 논문이 표지논문으로 게재된 Advanced Energy Materials 10월 13일자. 사진제공=울산대학교

[서울경제]

화재 및 폭발 위험성을 가진 리튬 이차전지를 대체한 수계아연 이차전지의 수명을 크게 향상시키는 기술이 개발됐다.

울산대학교 화학공학부 최원묵 교수와 황해길 박사 연구팀은 호주 애들레이드 대학 지안펭 마오(Jianfeng Mao) 교수, 중국 상해공정기술대학 핀화 라오(Pinhua Rao) 교수와의 공동연구로 차세대 수계아연 이차전지의 수명을 향상시키는 전해질 첨가제를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 에너지화학 분야 국제 저명 학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 29.698) 10월 13일자 표지논문으로 소개됐다.

연구팀에 따르면 현재 대표적인 에너지 저장장치인 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 우수한 수명으로 많이 사용되고 있지만, 리튬 원료의 제한된 매장량과 높은 가격, 유기 전해액과 리튬계 소재의 폭발 위험성이 문제다.

이에 따라 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험성이 적고, 풍부한 저장량으로 수계아연 이차전지가 차세대 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다.

하지만 수계아연 이차전지도 물을 기반으로 하는 전해질 특성상 아연 전극의 부식과 함께 전극 표면에 아연 이온이 나뭇가지 형태의 불균일한 결정인 ‘덴드라이트(Dendrite)’가 형성돼 전지 수명이 떨어지는 한계점이 있었다. 충전과 방전이 반복되면서 금속결정체인 덴드라이트가 음극에 축적돼 나뭇가지 모양으로 자라나서 분리막을 뚫어 양극과 단락시켜 전기차의 경우 화재의 주요 원인이 되기도 한다.

울산대 교수팀은 이번에 아연 전극 표면에 덴드라이트 형성을 억제하는 수계 전해질 첨가제를 개발해 수계아연 이차전지의 수명을 크게 향상시켰다. 방법은 황산아연 수계 전해질에 산업용 용매인 감마부티로락톤을 첨가한 것으로, 시뮬레이션 결과 감마부티로락톤이 아연 전극에 균일하게 흡착해 ‘아연이온-물분자-황산이온-감마부티로락톤’ 형태의 결합을 이뤄 덴드라이트 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

감마부티로락톤을 첨가한 전해질을 사용한 수계아연 이차전지는 전지용량 향상과 함께 400회 충전-방전을 하고서도 초기 용량의 87%를 유지하는 우수한 성능을 보였다.

최 교수는 “이번 연구의 핵심은 1% 정도의 소량 첨가제를 이용해 수계아연 이차전지의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 제시한 것”이라고 소개했다.

울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com