차세대 이차전지 '수계아연이온전지' 상용화 난제 풀었다

한국생산기술연구원

제작된 후막 양극을 보여주고 있는 김찬훈 한국생산기술연구원 선임연구원. 생기연 제공

국내 연구진이 차세대 이차전지로 떠오르고 있는 수계아연이온전지의 친수성을 높이기 위한 치환반응에 성공했다. 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 낮은 면적당 용량 문제 해결의 실마리를 풀었다는 평가를 받는다.

한국생산기술연구원은 김찬훈 선임연구원과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동 연구팀이 수계아연이온전지의 후막 양극 기술 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

수계아연이온전지는 물 기반의 전해질을 이용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 이 같은 장점에도 ‘후막 양극’ 제작 시 용량이 크게 저하되는 한계 때문에 수계아연이온전지 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

후막 양극은 전자들의 이동 통로 역할을 하는 집전체 위에 전기 에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로 이차전지의 에너지 밀도 향상에 필수적인 조건이다. 30㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 두께의 양극 4장을 120㎛ 두께의 후막 양극 1장으로 교체할 경우 전지의 두께는 30% 이상 얇아지고 에너지 밀도는 높아진다.

연구팀은 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더에 친수성을 부여함으로써 수계아연이온전지의 용량 저하 문제를 해결했다. 바인더는 활물질과 도전재가 집전체에 잘 붙을 수 있도록 넣어주는 접착 물질이다.

리튬이온전지는 양극의 활물질과 도전재를 집전체에 접착시키기 위한 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 사용하는데 불소계 고분자인 PVdF가 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성을 띠고 있어 완성된 양극이 수계전해질에 젖는 것을 방해한다. 

양극이 두꺼울수록 굴곡률이 높아지기 때문에 수계전해질이 전극 내부로 스며들기 어렵고 전해질이 침투되지 못한 양극은 아연 이온 공급이 원활치 않아 수계이온전지 용량 구현에 한계가 따랐다.

 
공동 연구팀은 간단한 설폰화반응만으로 기존 리튬이온전지 바인더를 친수성 있는 설포네이트 PVdF(S-PVdF)로 개질해 오랜 난제를 풀었다.

설폰화반응은 연료전지용 고분자 전해질 막의 친수성을 높이기 위한 치환반응이다. 설폰화반응을 통해 개질된 S-PVdF 바인더는 분자 내에 풍부한 설포네이트 작용기를 포함하고 있어 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 젖음성이 향상되고 이온전도도 또한 10배 가량 높았다.

설포네이트 작용기가 S-PVdF 바인더의 극성을 향상시켜 양극 활물질의 전극 내 분산성을 높이기 때문인데 이를 통해 높은 에너지 밀도를 갖는 후막 양극 제조 시 가장 큰 난제였던 전극 내 활물질·바인더·도전재의 불균일한 분포 및 낮은 결착력을 향상시킬 수 있게 됐다.

연구팀은 이번에 개발한 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작했다. 물리화학적 특성을 분석한 결과 기존 PVdF 바인더 사용 시보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가한 것으로 나타났다.

또한 3000사이클 동안에도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타내고, 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.

연구팀은 “수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과”라고 설명하며 “에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 ESS용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다. 연구 결과는 4월 국제학술지 '나노-마이크로 레터스' 온라인판에 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]