가천대 연구팀, 폭발위험 없는 고성능 이차전지 전극물질 개발

높은 에너지 밀도·긴 수명 가진 수계아연 이차전지 구현

[성남=뉴시스] 이번 연구결과를 입체적으로 그린 모식도 (사진=가천대 제공)

[성남=뉴시스] 신정훈 기자 = 가천대학교는 허재현·김일태·안용남 교수 등 공동연구팀(이가은 연구원, 박찬우 석사과정생)이 폭발 위험이 없는 고성능 수계아연 2차전지 전극물질을 개발했다고 16일 밝혔다.

연구팀은 수계아연 이차전지의 고질적인 문제로 알려진 충방전 과정에서의 아연 음극 위 덴드라이트 형성(배터리 음극 표면에 생기는 나뭇가지 모양의 결정체)과 수소 기체 발생, 수계 전해질 내부에서의 부식 문제를 해결하기 위해 아연 금속 표면에 티타산칼슘(CaTiO₃) 나노입자들을 코팅했다.

티타산칼슘은 광물 페로브스카이트에서 처음 발견된 화합물로 독특한 결정구조(ABX3)를 가지고 있으며, 커패시터와 같은 전자장치에 일반적으로 사용되는 유전체 재료다.

인조피막으로 사용된 티타산칼슘은 강한 내화학성을 가지고 있어 약산성 수계전해질 내부에서 아연 금속의 부식을 억제하고, 강유전성으로 아연 이온의 이동과 확산을 용이하게 해 준다.

충방전 과정에서 무작위적으로 성장하는 아연 덴드라이트 형성을 효과적으로 막아 충방전 수명을 길게 해 줄 뿐만 아니라, 전압창(용매인 물 분해가 일어나지 않는 범위)을 크게 확대해 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

또한, n-type 반도체인 티타산칼슘의 일함수(4.33 eV)는 아연 금속의 일함수(3.78 eV)보다 높아 오믹 접합(두 물질 접합 시 에너지 장벽이 없는 구간)을 형성해 두 물질 간 원활한 전하이동이 가능하다.

연구팀은 이런 현상을 다양한 물리화학 및 전기화학적 분석법을 통하여 입증했다. 실제 티타산칼슘이 코팅된 아연 음극과 바나듐 촉매(V₂O₅) 양극을 이용, 양극과 음극이 모두 포함된 완전셀(Full cell)을 구성해 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 가진 수계아연 이차전지를 구현했다.

연구팀은 “이번 연구결과를 통해 수계 아연 2차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 연구방향을 제시했다”며 “향후 화재 및 폭발 위험이 있는 기존 리튬이온전지를 대체할 수 있는 수계 이차전지 연구개발에 다양하게 활용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 최근 ‘Journal of Energy Chemistry (IF: 14.0, 저널 랭킹: 2.7%)’ 온라인판에 게재됐으며 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터와 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다.

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