화재 없는 친환경 배터리 나올까…수계아연전지 수명 10배 늘려

연구팀이 구조분석 실험을 통해 수계아연전지의 증착 구조를 파악하고 있다. 에너지연 제공

국내 연구팀이 화재 위험이 없는 친환경 전지인 수계아연전지의 안정성 문제를 해결하는 기술을 개발해 수명을 기존보다 10배 늘리는 데 성공했다.

한국에너지기술연구원은 우중제 광주친환경에너지연구센터장과 조재필 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 수계아연전지에서 금속이 나뭇가지 모양으로 쌓이면서 전지를 단락시킬 수 있는 덴드라이트 문제를 해결하는 전극 제조 핵심기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구결과는 23일 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 공개됐다.

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로 리튬 이온 전지와 비교해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 이온당 전자 2개를 갖기 때문에 이온당 전자를 1개 갖는 리튬 이온 전지보다 이론적으로는 2배 정도 높은 용량을 기대할 수 있다.

수계아연전지는 충전 과정에서 음극 표면에 금속인 아연이 무질서하게 증착되면서 길어지는 덴드라이트 현상이 발생하는 것이 문제다. 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 손상시키면 단락이 발생해 전지 성능과 수명에 심각한 영향을 미쳐 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

기존에는 구리 등 유도제를 첨가해 아연의 초기 성장을 촉진하고 균일하게 증착되도록 유도해 덴드라이트 형성을 억제하는 방식이 활용됐지만 전지의 충·방전이 반복되면 다시 덴드라이트 형성이 일어난다는 문제가 있었다.

아연의 균일한 증착이 유도되는 과정. 산화구리는 아연의 핵성장을 유도한 후에는 아연의 불균일한 성장을 억제하는 울타리 역할을 한다. 에너지연 제공

연구팀은 산화구리를 사용해 단계적으로 아연이 음극 표면에 균일하게 증착되도록 하고 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 산화구리가 아연을 균일하게 분포시킨 뒤 아연의 무질서한 증착을 물리적으로 억제할 수 있는 구조물로 자체 변환되며 덴드라이트 형성을 지속적으로 방지하는 원리다.

연구팀이 개발한 기술을 적용한 전지는 3000사이클의 충·방전 이후에도 80% 용량을 유지하며 기존 수계아연전지보다 수명이 10배 이상 향상됐다.

우중제 센터장은 "수계아연전지의 난제를 산화구리 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 단초를 제공한 것"이라며 "개발된 전극을 규격화·시스템화해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/aenm.202401820

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]