국내 연구진, 화재 위험 없는 수계아연전지 난제 해결

에너지연-유니스트, 산화구리를 통해 수계아연전지의 치명적 문제인 덴트라이드 형성 억제 성공

전지 동작 성능과 대면적 증착 안정성까지 검증 완료, 기술 상용화 앞당겨

에너지·재료 분야 세계적 권위지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 8월호 표지논문 게재

   한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 광주친환경에너지연구센터 우중제 박사, 울산과학기술원(이하 ‘유니스트’) 조재필 교수 연구팀이 수계아연전지의 덴드라이트* 형성을 제어할 수 있는 전극 제조 핵심기술을 개발했다.

* 덴드라이트 : 전지의 충전 과정에서 음극에 금속 이온이 무질서하게 증착되면서 나뭇가지 모양으로 길쭉하게 쌓이는 현상, 불규칙한 성장이 진행되면 단락(쇼트)을 일으켜 전지의 안정성에 심각한 영향을 미치고 수명을 단축시킴

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로 휘발성의 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지에 비해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 이온 당 한 개의 전자를 이용하는 리튬 이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 용량을 기대할 수 있다.

하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연이 길쭉하게 증착되는 덴드라이트 현상이 발생해 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 형성된 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 전기적 단락을 발생시키고 전지의 성능에 심각한 영향을 미치기 때문이다. 특히 덴드라이트는 리튬 이온전지보다 수계아연전지에서 더 활발하게 형성되기 때문에 기술 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

연구진은 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 제작된 전극을 전지에 적용한 결과, 기존 전지 대비 10배 이상 향상된 수명을 나타냈다.

기존에는 구리 등의 유도제를 첨가해 아연의 초기 성장을 촉진하고 균일하게 증착되도록 유도하면서 덴드라이트 형성을 억제하는 방식이 주로 활용됐다. 그러나 전지의 충·방전이 반복되면 덴드라이트 형성이 재발한다는 문제가 있었다.

이에 연구진은 산화구리를 활용해 단계적으로 덴드라이트 형성을 제어하는 방법을 고안했다. 산화구리는 일반 구리와 마찬가지로 아연의 초기 성장을 촉진하고 유도 증착시키는 역할을 수행한다. 또, 아연을 균일한 분포로 증착시키는 데 최적화된 전도성을 갖고 있어 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다.

산화구리는 아연을 균일 분포한 후 비계*로 자체 변환된다. 비계는 울타리와 같은 역할을 해 아연의 무질서한 증착과 성장을 억제한다. 이를 통해 충·방전이 반복되면서 재발하는 덴드라이트 형성을 지속적으로 방지할 수 있다.

* 비계(Scaffold) : 아연과 같은 금속의 무질서한 증착을 물리적으로 억제하기 위해 나노-마이크로 크기로 구성한 구조물

 연구진의 기술이 적용된 전지는 기존 수계아연전지보다 수명이 10배* 이상 향상돼 상용화의 가능성을 높였다.

* 일반 수계아연전지 : 300 사이클의 충·방전 이후 덴드라이트 형성으로 인해 용량이 80% 이하로 감소

** 연구성과 : 덴드라이트 형성 억제를 통해 3,000 사이클의 충·방전 이후에도 80%의 용량을 유지

연구진은 아연 증착을 제어해 세계 최고 수준인 60mAh/cm2의 면적 당 용량을 달성하는데 성공했다. 또 3,000회 이상의 전지 성능 실험을 통해 내구성을 입증했으며 64cm2의 대면적 전극에도 활용할 수 있다는 점도 확인했다.

연구책임자인 우중제 박사는 “이번 연구의 의의는 수계아연전지의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공한 것”이라며, “향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화하는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다.”고 밝혔다.■

연구진이 개발한 기술은 에너지·재료 분야 저명 학술지 ‘어드밴스트 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials, IF 24.4, 상위 2.9%) 8월호에 표지논문으로 게재됐다.

한국에너지기술연구원

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