수계배터리 기능성 전해질 첨가제 개발…6000시간 장수명 달성

자연모방을 통해서 입체이성질체인 트랜스 푸마르산과 시스 말레산의 용매화 구조, 계면 제어에 의한 비가역 반응에 대한 효과를 보여주는 모식도.(박호석 교수 제공)

국내 연구진이 고안전성·저비용으로 주목받는 차세대 이차전지인 수계배터리 원천기술인 기능성 전해질 첨가제 개발에 성공했다.

한국연구재단은 박호석·조새벽 성균관대 교수 연구팀이 입체이성질체 전해질 첨가제를 설계하고, 이를 이용한 고용량·장수명 수계배터리용 기능성 전해질 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 자연계에 존재하는 입체이성질체 특성을 이용해 전해액 첨가제 기술을 개발, 수계배터리 아연 음극 증착 가역성과 수명을 높였다.

유기산 일종인 부텐디산(butenedioic acid)의 입체이성질체인 푸마르산(fumaric acid)과 말레산(maleic acid)의 서로 다른 전자 분포와 공간 배열을 이용해 개발한 다기능성 첨가제는 전해액 용매화 구조와 계면 특성을 동시에 제어해 99.9% 이상 쿨롱효율(충전용량 대비 방전용량 비율)과 6000시간 이상 장수명을 달성했다.

연구팀은 펨토초 레이저 분광학 등을 이용한 고도분석으로 이성질체에 따른 전해액의 용매화 구조와 탈용매화 과정에서의 동역학도 규명했다.

푸마르산은 계면에서 아연 이온을 전달할 수 있는 채널을 형성해 아연 증착 가역성을 향상시켰다.

아연을 증착한 구리 집전체와 배터리 완전 셀을 제작한 실험에서 현재 최고 수준인 100 mAh/g 고용량과 1000회 이상 장수명을 달성했다. 또 구리 집전체만을 이용한 무음극 기술도 구현해 무음극 완전 셀에서도 270회 수명 안정성을 기록했다.

박호석 교수는 “이번에 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 수계배터리 에너지밀도를 높일 수 있는 고전압·고용량 양극 후막 기술과 맞춤형 전해질 기술에 대한 연구를 지속할 계획”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10일 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com