ETRI·성균관대 "수계 아연이온전지 고질적 한계 극복"

수계(水系) 아연이온전지의 고질적 한계를 극복할 핵심 소재 기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술은 급속 충전과 방전에도 수계 아연이온전지의 성능을 유지하면서, 수명까지 늘리는 게 핵심이다.

(왼쪽부터) 신동옥 ETRI 책임연구원, 김종순 성균관대 교수. 한국전자통신연구원

한국전자통신연구원(ETRI)은 ETRI 신동옥 박사 연구팀과 성균관대 김종순 교수 연구팀이 출력 저하·전극구조 손상·덴드라이트 형성 등 수계 아연이온전지의 고질적 한계를 동시에 해결할 양극·음극 핵심 소재 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

수계 아연이온전지는 물 기반의 수용액 전해질을 사용하는 아연이온전지로 불이 잘 붙지 않아 안전성이 높고, 비용 부담이 상대적으로 적어 대형 저장장치에 유리한 차세대 이차전지로 주목받는다.

다만 급속 충전과 방전이 반복될 경우 배터리 성능이 급격하게 낮아지고, 전극 구조가 쉽게 손상되는 문제로 상용화가 더딘 상황이다. 여기에 전지를 사용하는 과정에서 발생하는 '아연 덴드라이트 현상'은 전지 내부의 단락을 야기해 수명 단축과 고장을 유발하는 것으로 알려졌다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 기존 아연 이온만 따로 반응하던 기존 틀에서 벗어나 칼륨 이온이 동시 작동하는 '이중이온 삽입 구조'를 도입했다.

이 구조는 아연 이온이 전극 내부에서 이동할 때 에너지 장벽으로 이동 속도가 느려지는 문제를 해소하는 역할을 한다. 두 이온이 동시에 반응하도록 전극을 설계해 이온이 뭉치는 병목현상을 줄이고, 급속 충·방전 때 생기는 배터리 출력 저하와 전압 손실을 효과적으로 개선한 것이 핵심이다.

또 철 기반의 폴리아니온(polyanion) 구조를 양극 소재 골격으로 적용해 충·방전 때 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 설계해 반복적인 사용 때 발생하는 구조 열화를 줄임으로써 장기 수명 특성을 높였다.

이 결과 급속 충·방전 환경에서도 수계 아연이온전지는 출력 유지 특성과 장기 안정성이 향상된 것으로 확인됐다.

연구진이 집전체상에 나노구조화 계면층 스핀 코팅을 진행하고 있다. 한국전자통신연구원

공동연구팀은 아연 금속의 불균일한 성장 문제를 해결할 아연 금속 음극 기술도 개발해 음극 분야의 난제를 풀었다.

기존 수계 아연전지는 급속 충·방전 과정에서 아연이 바늘 형태로 불균일하게 성장하는 덴드라이트 현상이 발생해 전지 수명이 줄고, 단락 위험도 컸다. 두꺼운 아연 금속을 과도하게 사용해야 하는 구조 탓에 배터리 전체의 에너지밀도가 낮아지는 한계도 보였다.

이와 달리 공동연구팀은 블록공중합체(block copolymer) 자기조립 공정으로 금 나노씨드(Au nanoseed) 배열과 환원 그래핀(rGO) 나노층이 결합된 신개념 아연 전착 유도 나노구조화 계면을 구현, 아연 이온의 이동과 초기 핵생성 과정을 균일하게 유도함으로써 평탄하고 치밀한 아연 성장을 가능하게 했다. 특히 아연의 성장 방향을 안정적으로 제어해 덴드라이트 형성을 근본적으로 억제했다.

이 음극 기술은 3000시간 이상의 장기 충·방전 환경에서도 안정적으로 동작했으며, 수소 발생과 부산물 형성을 억제하는 데도 효과를 보였다. 무엇보다 두꺼운 아연 호일 대신 최소량의 아연만 사용하는 초저 N/P 조건(N/P=2)에서도 안정적인 구동과 높은 에너지밀도를 달성했다.

신동옥 박사는 "나노구조화 계면 설계로 아연 금속의 초기 핵 생성과 성장 방향을 동시에 제어, 덴드라이트 없는 안정적인 아연 음극 구현이 가능했다"며 "공동연구팀은 향후 이 기술이 차세대 수계 이차전지 시스템에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

김종순 교수는 "성능 저하와 구조 열화는 급속 충·방전 과정에서 생기는 수계 아연전지의 대표적인 난제"라며 "이번 연구는 이중이온 삽입 구조로 속도 특성과 안정성을 동시에 개선할 방향성을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr