DGIST-KITECH, 이중층 코팅 기술로 화재 걱정 없는 차세대 전지 기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 이홍경 에너지공학과 교수팀이 한국생산기술연구원(KITECH) 청정에너지전환그룹 김찬훈 박사 연구팀과 공동으로 이중 층 코팅 방식을 도입해 불안정한 전지 시스템의 안정화 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

리튬 금속은 현재 상용화된 흑연 소재보다 이론용량이 10배 높기 때문에 기존 리튬이차전지의 에너지밀도의 한계를 뛰어넘는 배터리를 구현할 수 있다. 그러나 리튬 이온 전지는 과충전·과방전 시 화재·폭발 위험이 있어 안전한 대체 기술 연구가 활발하다.

금속불화물고분자 이중층 코팅된 아연 금속.

또 수계 아연 전지는 높은 에너지 밀도와 친환경적인 특성으로 인해 에너지저장시스템(ESS) 분야에서 큰 관심을 받고 있지만 아직까지 아연 덴드라이트 형성, 수소 발생 반응, 아연 부식 등의 문제로 상용화되지 못하고 있다.

위 왼쪽부터 김찬훈 KITECH 박사, 이홍경 DGIST 교수, 아래 왼쪽부터 이정은 KITECH 연구원, 한재웅 DGIST 석사과정생. 사진제공=DGIST

연구팀은 수계 아연 전지의 문제점을 해결하고자 고분자와 무기 물질을 동시에 사용하는 이중 층 코팅 기술이라는 새로운 방법을 도입했다. 이 과정에서 금속불화물과 고분자 용액을 동시에 아연 금속에 덧대는 방식을 사용한다. 이로써 금속불화물은 아래층에, 반응하지 않는 고분자층은 위층에 배치된다. 상층의 고분자층은 물과 아연 금속의 직접적인 접촉을 차단해 수소 발생 반응을 최대 3분의 1 이하로 억제하고, 아연 금속의 부식도 막을 수 있었다. 아래층의 금속불화물 층은 친 아연성 성질을 가지고 있어 아연 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제할 수 있었다.

이홍경 교수는 “차세대 전지인 수계 아연 전지의 고질적 문제인 아연 덴드라이트, 수소 발생 반응, 아연 부식 문제를 간단한 이중층 설계 방식을 통해 혁신적으로 해결했다. 향후 아연 금속뿐만 아니라 금속 음극을 활용하는 다양한 시스템으로의 확장을 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 DGIST 한재웅 석사과정생과 KITECH 이정은 연구원이 공동 제1 저자로, KITECH 김찬훈 박사와 DGIST 이홍경 교수가 교신저자로 참여했다. 한국연구재단의 '우수신진사업', 과학기술정보통신부의 '선도연구센터(ERC)' 및 '과기원 공동연합 프로젝트'와 '브래인 코리아 21 Four' 사업 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 세계적 화학 공학 학술지인 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com