화재 위험없는 '수계 아연전지' 수명 늘리는 방법 찾았다

▲착수소화물의 구조와 이를 첨가한 전해질(자료=GIST)

국내 연구진이 화재 위험이 없는 '수계 아연 금속전지'의 짧은 수명을 늘릴 수 있는 방법을 찾았다.

광주과학기술원(GIST) 화학과 김상륜 교수 연구팀은 한국에너지기술연구원(KIER), 이화여대 연구팀과 공동으로 '착수소화물' 물질을 활용해 아연 배터리의 전극 손상을 막고 수명을 대폭 늘리는 전해질 설계원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

현재 널리 사용되는 리튬이온배터리는 유기용매를 사용해 화재나 폭발 위험에 취약하다. 반면 '수계 아연 금속배터리'는 물을 기본 전해질로 사용해 불이 나지 않으며, 원재료인 아연의 가격이 저렴하고 용량이 커 차세대 배터리로 주목받고 있다.

하지만 수계 배터리는 충·방전을 거듭할수록 전해질 속의 물과 아연 전극이 반응하면서 수소가 발생하고, 전극 표면에 산화아연 같은 부산물이 생성된다. 이 과정에서 아연 표면이 울퉁불퉁해지고 손상돼 장기간 사용하는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전해질에 '착수소화물(Zn(B12H12))'이라는 첨가제를 활용했다. 이 첨가제는 물에 들어가면 아연 이온과 '착음이온'으로 분리되는데, 전해질의 원래 점도나 이온 전달 능력 등 기본 성질은 그대로 유지하는 특성을 보였다.

대신 배터리가 작동(충·방전)하기 시작하면 착음이온이 아연 전극 표면으로 이동해 스스로 '수소화물 기반 보호막(계면층)'을 형성했다. 전해질 전체의 성질은 건드리지 않으면서, 충·방전이 일어나는 아연 표면에만 얇고 튼튼한 방어막을 씌운 것이다.

이 보호막은 아연 전극이 물과 직접 부딪히는 것을 막아 불필요한 수소 가스 발생과 부식을 억제했다. 그 결과, 아연이 전극 표면에 얇고 균일하게 쌓이도록 유도했다.

연구팀이 첨가제를 넣은 전해질로 배터리 성능을 시험한 결과, 아연 전극의 안정성을 보는 실험에서 3000시간 이상 안정적으로 작동했다. 또 '아연-산화바나듐' 배터리에 적용했더니 5000회 이상 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 96.55%를 유지됐다. 기존 전해질을 쓴 배터리가 같은 조건에서 용량이 46.40%로 반토막 난 것과 비교하면 대폭 향상된 성능이다.

충전한 전기량 대비 방전할 때 되돌려받는 전력 비율인 '쿨롱 효율'도 99.8%에 달해 충·방전 시 전력 손실이 거의 없는 것으로 나타났다.

김상륜 GIST 교수는 "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.

이번 연구결과는 재료과학 및 화학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'에 7월 온라인으로 게재됐다.