5000번 충·방전해도 용량 96% 유지…수계 아연전지 수명 늘렸다[과학을읽다]

GIST·에너지연·이화여대, 아연 전극에 보호층 만드는 전해질 원리 규명

물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 가격도 저렴한 '수계 아연 금속전지'의 수명을 크게 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다. 전해질 첨가제가 아연 전극 표면에 보호막을 형성해 성능 저하의 원인이 되는 수소 발생과 전극 손상을 막는 방식이다.

광주과학기술원(GIST)은 김상륜 화학과 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원(KIER), 이화여대 연구팀과 공동으로 착수소화물(Complex hydride)을 활용해 수계 아연 금속전지의 전극 안정성과 장기 충·방전 성능을 높이는 새로운 전해질 설계 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

착수소화물의 구조와 전해질 특성. 착수소화물을 첨가해도 기존 전해질과 유사한 특성을 유지하며, 착음이온 내부에는 붕소-수소(B-H)와 붕소-붕소(B-B) 결합이 존재한다. 연구팀 제공

수계 아연 금속전지는 휘발성과 독성이 있는 유기용매 대신 물을 기반으로 한 전해질을 사용한다. 상대적으로 안전하고 가격이 저렴한 아연을 전극으로 활용할 수 있어 대규모 에너지저장장치(ESS)용 차세대 이차전지 후보로 주목받고 있다.

문제는 충·방전을 반복할수록 물과 아연이 반응해 수소와 산화아연(ZnO) 등 부산물이 발생한다는 점이다. 아연이 전극 표면에 불균일하게 쌓이는 현상도 나타나 장기간 사용할 경우 전극이 손상되고 성능이 떨어진다.

연구팀은 전해질에 착수소화물의 일종인 'Zn(B12H12)'를 첨가했다. 이 물질은 물속에서 아연 이온(Zn2+)과 착음이온([B12H12]2-)으로 분리되는데, 전해질의 이온전도도나 점도 등 기존 특성에는 큰 영향을 미치지 않았다.

전해질은 그대로, 아연 표면에만 '보호막'

충·방전이 시작되자 차이가 나타났다. 착음이온이 아연 전극 표면에서 반응하면서 '수소화물 기반 계면층(hydride-rich interphase)'을 형성했다. 전해질 전체의 특성을 바꾸는 대신 실제 반응이 일어나는 아연 표면에만 일종의 보호층을 만드는 원리다.

이 보호층은 물과 아연의 직접적인 접촉을 줄여 불필요한 수소 발생과 아연 산화를 억제했다. 아연이 전극 표면에 불균일하게 성장하는 현상도 줄였다. 연구팀은 X선 광전자 분광법(XPS)과 비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS)을 이용해 보호층이 형성되고 100회 충·방전 이후에도 유지되는 것을 확인했다.

연구팀 사진. (왼쪽부터) 김상륜 GIST 화학과 교수, 오희정 석박통합과정생. GIST 제공

성능 실험에서도 효과가 나타났다. 착수소화물을 첨가한 아연 대칭전지는 최대 3000시간 동안 안정적으로 작동했다. 아연-산화바나듐 전지에서는 5000회 충·방전한 뒤에도 초기 용량의 96.55%를 유지했으며 쿨롱 효율은 99.8%를 기록했다. 같은 조건에서 기존 전해질을 사용한 전지는 초기 용량의 46.40%만 유지했다. 쿨롱 효율은 충전 때 저장한 전하량 가운데 방전 때 되돌려받는 비율로, 100%에 가까울수록 충·방전 과정의 손실이 적다는 의미다.

김 교수는 "이번 연구는 수계 전해질에서 착수소화물 기반 계면 형성 메커니즘을 규명함으로써 기존 착수소화물 연구를 수계 전기화학 분야로 확장하고, 차세대 수계 금속전지용 전해질 설계의 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

오희정 GIST 화학과 석박사통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난달 26일 온라인 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr