스펀지처럼 빨아들여 한계 '극복'… 이차전지 내구성 3배 높였다

한국에너지기술연구원 에너지저장연구단

한국에너지기술연구원 에너지저장연구단 연구진 단체사진. 양정훈 박사, 박상현 학생연구원, 이찬우 박사(왼쪽부터) /사진=한국에너지기술연구원

국내 연구진이 기존 수계아연전지의 단점을 극복해 내구성을 3배 이상 높인 새로운 이차전지 물질과 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 양정훈 에너지저장연구단 책임연구원 연구팀이 구리 산화물 기반의 전극 소재를 개발해 수계아연전지의 내구성을 3배 높였다고 17일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 지난 1월 게재됐다.

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지다. 휘발성 액체를 사용하는 리튬이온전지에 비해 화재 위험이 적은데다 제조 비용과 소재도 저렴해 차세대 에너지저장시스템(ESS)으로 주목받는다.

다만 충전 과정에서 아연금속이 전극의 표면에 무질서하게 들러붙는 '덴드라이트 현상'이 나타나 전지의 수명이 짧아진다는 한계가 있었다. 금속이 전극에 쌓이면서 음극과 양극 사이의 분리막을 뚫어, 전지의 내구성을 저하하기 때문이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 구리 산화물 나노입자를 새롭게 개발했다. 또 음극의 전자를 효과적으로 흡수하고 방출하는 '전자 스펀지' 기술을 통해 덴드라이트 형성을 억제하는 데 성공했다.

먼저 아연과 친화성이 높은 후보 물질을 입자 크기별로 테스트했다. 그 결과 나노입자 크기의 구리 산화물이 가장 우수한 아연 친화성을 나타낸다는 것을 확인했다.

연구팀이 개발한 구리 산화물 기반 전극 소재 /사진=한국에너지기술연구원

이를 기반으로 개발한 구리 산화물 나노입자를 수계아연전지에 적용했다. 아연전지의 음극에서 전자는 아연 이온과 만나 아연 금속이 되고 전기를 저장하는데, 구리 산화물 나노입자는 마치 스펀지가 물을 빨아들이듯 전자를 빨아들인다. 그 결과 무질서하게 쌓이는 아연으로 인한 덴드라이트가 억제됐다.

또 방전 시에는 스펀지에서 다시 물을 짜내듯 전자를 빠르게 방출하고 아연 금속이 용해되도록 해, 음극 표면에 남아있는 아연을 최소화했다. 이를 통해 전지 충·방전 과정이 반복될 때 남은 아연이 덴드라이트로 남는 것도 방지했다.

연구팀은 아연-폴리요오드 흐름전지에 기술을 적용했다. 사진은 아연-폴리요오드 흐름전지. /사진=한국에너지기술연구원

연구팀은 이를 '전자 스펀지'라 명명하고, 전자 스펀지 기술이 전지 충전에 사용되는 에너지 손실까지 줄일 수 있음을 계산을 통해 입증했다. 수계아연전지의 하나인 아연-폴리요오드 흐름전지에 기술을 적용한 결과 2500회에 이르는 충·방전 시에도 덴드라이트가 형성되지 않았다. 기존 전지가 800회 정도에서 이미 고장이 나는 것을 감안할 때 내구성이 3배 이상 높아진 셈이다.

충전 용량 대비 방전 용량의 비율은 98.7%로 측정돼 효율성도 높은 것으로 나타났다. 이는 기존 아연-폴리요오드 흐름전지 대비 30% 이상 향상된 수치다.

연구를 이끈 양정훈, 이진우 에너지연 박사는 "이번 연구는 고성능·고안정성 차세대 아연 전지 개발의 중요한 단서가 될 것"이라며 "구리 산화물 전극 소재를 향후 3.5킬로와트(kW)급 아연-폴리요오드 흐름 전지 실증 기술에 접목해 상용화까지 신속하게 진행하겠다"고 했다.

한편 이번 연구는 에너지연 기본 사업과 삼성 미래기술 육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr