고려대 유승호 교수팀, 고성능 차세대 아연 수계 전지 개발

[고려대 제공]

[헤럴드경제=박혜원 기자] 고려대 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀과 전남대 공과대학 이지은 교수 연구팀이 육각 튜브 모양의 텔루륨 나노입자를 아연 수계 전지 양극으로 활용해 고성능 차세대 전지 시스템을 위한 새로운 모델을 제시했다.

글로벌 ESS 시장 속에 상용화된 리튬이온전지는 리튬의 높은 가격 및 제한된 지각 내 매장량, 가연성 유기용매 전해질 때문에 화재 위험성이 높다는 단점이 있다. 이번 연구는 이같은 한계 때문에 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지에 대한 관심이 높아지는 가운데 진행됐다.

이번 연구에는 물을 전해질로 이용하는 신재생 에너지 기술이지만, 용량이 낮은 아연 수계 전지의 한계를 극복하기 위해 고용량 양극 소재를 개발하는 내용도 포함됐다.

유승호 교수 연구팀은 육각 튜브 모양의 텔루륨 1D 나노입자를 아연 수계 전지의 양극으로 활용하여 부피 변화를 완화하고 장기 사이클 성능을 확보하는 연구 결과를 발표했다. 연구진은 간단하고 저렴한 합성 기법을 통하여 [001] 방향으로 성장한 텔루륨 나노입자를 합성했다. 또 이를 양극 소재로 아연 수계 전지를 제작하고 전기화학 분석을 진행하여 높은 율속 특성과 장기 사이클 성능을 확인했다.

또 고율속·고성능 특성을 Te(100) 면으로 아연 이온이 빠르게 확산한다는 계산화학 결과를 통해 뒷받침했다. SEM 및 TEM 이미지를 통해 장기 사이클 후 손상 없는 텔루륨 나노입자를 보이며 높은 구조 안정성을 밝혔으며, 엑스선을 활용한 XRD 및 XPS 분석으로 아연 수계 전지 내 텔루륨의 반응 기작을 밝혔다.

유승호 고려대 교수는 “리튬이온전지는 원자재 공급의 한계와 화재 안정성을 극복하기 위한 혁신적인 차세대 전지 시스템이 필요하다”며 “이번 연구를 통해 육각 튜브 모양의 텔루륨 나노입자는 고용량을 확보할 수 있을 뿐 아니라 장기 안정성·고율속 특성을 갖는 우수한 수계 아연 전지용 양극 소재임을 보여주었다. 새로운 텔루륨 나노 양극 소재를 통해 기존 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 아연 수계 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업 지원을 받아 수행됐으며, 지난 1일 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 실렸다.

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