국내 연구진, 폭발 위험 낮춘 '물 기반' 수계배터리 원천기술 개발

'기능성 전해질 첨가제' 개발

아연 이온 대칭 전지에서 전해질에 따른 아연 증착 거동 결과(한국연구재단 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 고안전성·저비용으로 주목받는 차세대 이차전지 수계배터리의 원천기술인 기능성 전해질 첨가제를 개발했다. 수계배터리는 물(수용액) 기반의 전해질을 사용해 폭발 위험성이 낮다.

한국연구재단은 성균관대학교 박호석·조새벽 교수 연구팀이 입체이성질체 전해질 첨가제를 설계·이용한 고용량·장수명 수계배터리용 기능성 전해질 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

최근 데이터센터와 에너지저장시스템(ESS) 등 대형제품에 적용 가능한 고용량·고안전성·저비용 배터리 연구가 활발하다. 특히 비리튬계 금속 아연은 높은 용량과 풍부한 매장량, 물 기반 전해액에서 증착 가능한 특성으로 수계배터리의 음극 소재로 주목받고 있다.

하지만 아연 음극은 불균일 증착, 금속 부식, 수소 발생에 의한 전지 팽창 문제 등으로 효율이 떨어지고 충·방전 사이클 횟수가 제한되는 단점이 있다.

연구팀은 자연계에 존재하는 입체이성질체의 특성을 이용한 전해액 첨가제 기술을 개발, 수계배터리 아연 음극의 증착 가연성과 수명을 높였다.

유기산의 일종인 '부텐디산'의 입체이성질체인 '푸마르산'과 '말레산'의 서로 다른 전자 분포와 공간 배열을 이용해 개발한 다기능성 첨가제는 전해액의 용매화 구조와 계면 특성을 동시에 제어해 99.9% 이상 쿨롱효율(충전용량 대비 방전용량 비율)과 6000시간 이상 수명을 달성했다.

아연을 증착한 구리 집전체와 배터리 완전 셀(full cell)을 제작한 실험에서 현재 최고 수준인 100mAh/g의 고용량과 1000회 이상의 장수명을 달성했다. 또 구리 집전체만을 이용한 무음극 기술도 구현해 무음극 완전 셀에서도 270회 수명 안정성을 기록했다.

박 교수는 "개발한 전해질 첨가제 기술은 다양한 배터리 분야에 적용 가능하고 기존 공정 인프라와도 호환 가능한 경제적·효율적 접근법으로 의미가 크다"며 "앞으로 리튬인산철 배터리와 소듐이온배터리 수준으로 수계배터리의 에너지밀도를 높일 수 있는 고전압·고용량 양극 후막 기술과 맞춤형 전해질 기술에 대한 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr