동국대-美 조지아공과대, 수계 아연 이차전지용 고기능성 음극 보호막 개발

금속 이온 도핑 기반 고접착성 아연 음극 보호막 설계
아연 이온 흡착 에너지 증가·보호층 기능 최적화
나노기술 분야 국제저명학술지 '나노 에너지(Nano Energy)' 게재

사진은 동국대 에너지신소재공학과 안건형 교수(왼쪽), 석박사통합과정 김서영. (사진=동국대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 동국대는 에너지신소재공학과 김서영 연구원과 안건형 교수 연구팀이 미국 조지아공과대 장승순 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 고안정성 수계 아연 이차전지용 고접착성 보호막 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

아연-이온 전지는 물을 용매로 하는 수계 전해질과 함께 저렴하면서 친환경적인 소재를 활용하는 차세대 이차전지다.

그러나 기존 수계 아연-이온 전지(ZIBs)는 아연 음극의 부식, 수소 발생 등의 문제로 인해 전지의 수명과 효율이 저하되는 한계가 있다. 또한 기존 보호층은 소재 특성상 금속 음극 표면에서 쉽게 박리(剝離)되며, 이를 보완하기 위해 접착력을 높여주는 바인더가 함께 사용된다.

바인더의 함량 조절에 따른 접착력과 내부 저항 간의 트레이드 오프(Trade-Off)가 존재한다. 따라서 높은 전기전도도를 유지하면서도 금속 음극과의 접착성 향상 및 균일한 아연 증착을 유도할 수 있는 보호층 개발이 필요하다.

이에 공동 연구팀은 아연 이온(Zn²⁺)이 도핑된 전도성 고분자 보호막을 적용한 아연-폴리피롤-탄소나노튜브 보호층을 개발했다.

높은 전도성을 갖는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)에 전도성 고분자인 폴리피롤(PPy)을 코팅하고, 아연 금속 표면과의 결착을 강화했다. 특히 Zn²⁺ 이온을 폴리피롤에 도핑하면서 아연 친화성과 흡착 에너지를 높여 균일한 아연 증착을 유도했다.

개발된 보호층은 스크래치 테스트, 구조 분석, 전기화학적 성능 평가 등 검증을 통해 500시간 이상의 장기 안정성, 덴드라이트 성장 억제, 부식 저항성 증가의 특성을 확인했다.

더해 장 교수 연구팀은 밀도 범함수 이론(DFT) 기반 계산을 통해, 아연 이온 도핑이 폴리피롤의 전기전도도와 아연 이온 흡착 에너지를 동시에 증가시키며, 아연 도금의 균일성을 효과적으로 높인다는 사실을 이론으로 입증했다.

안 교수는 "전도성 고분자인 폴리피롤을 탄소나노튜브에 도입해 바인더와의 통합성을 개선했다"며 "아연 이온 흡착 에너지 증가 및 균일한 아연 증착 유도, 부식 저항성 향상 등 보호층 소재로서의 기능적 성능도 함께 최적화했다"고 밝혔다.

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