간편한 코팅으로 차세대 이차전지 폭발 위험 없이 오래 쓴다

생기원, 수계아연 이차전지 '음극 표면 안정화기술' 개발
코팅으로 아연 음극에 보호막 형성...수명 저하 해결

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간편한 코팅으로 차세대 이차전지 폭발 위험 없이 오래 쓴다
생기원은 차세대 이차전지인 '수계아연전지'의 수명 저하 문제를 해결하는 기술을 개발했다.

생기원 제공

차세대 이차전지의 음극 표면을 균일하게 코팅해 배터리 수명을 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

한국생산기술연구원은 김찬훈 박사 연구팀이 차세대 이차전지인 '수계아연 이차전지'의 수명저하 문제를 해결할 수 있는 '음극 표면 안정화 기술'을 개발했다고 15일 밝혔다.

수계아연 이차전지는 물 기반의 전해질로 인해 발화 위험이 없고, 안정성도 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다.

하지만 아연 금속을 음극으로 사용하기 때문에 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나고, 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체로 뾰족하게 쌓이기 쉽다는 문제가 있다. 이 결정체(덴트라이트)가 계속 성장해 분리막을 뚫고 양극에 맞닿을 경우 단락을 일으켜 전지 수명을 급격히 떨어 뜨리면서 화재를 유발한다.

연구팀은 아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 결정체 형성이 억제되고, 형태도 달라지는 것을 전자현미경으로 관찰하는 데 성공했다. 아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 친수성 상태일수록 배터리 충전 시 아연 이온이 음극 표면에 더욱 균일하게 흡착돼 결정체 형성이 억제된다는 사실을 밝혀낸 것이다.

반대로, 물 분자를 배척하는 소수성 상태의 음극 표면에는 아연 이온 분포가 집중돼 둥근 모양을 띤 수십 마이크로미터 크기의 결정체가 곳곳에 생성되는 것을 확인했다.

연구팀은 딥 코팅 공정(음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후, 가열해 보호막을 형성하는 방법)을 통해 500나노미터 두께의 얇은 친수성 보호막을 음극 표면에 고르게 형성해 결정체 형성과 부식 반응을 효과적으로 억제하는 데도 성공했다.

이 방식으로 음극 보호막을 형성하면, 약 3000회에 달하는 가혹한 충·방전 반복실험에서 93%의 용량을 유지했고, 충전전력이 자연적으로 소모되는 비율인 '자기 방전율'도 코팅되지 않은 음극에 비해 2배 이상 억제되는 효과가 있었다고 연구팀은 설명했다.

김찬훈 생기원 박사는 "기존 연구들이 손톱 크기의 코인 셀을 대상으로 한 실험실 수준에 머물렀다면, 이번 연구는 이보다 150배 이상 큰 대면적 아연 음극에서 보호막을 형성해 양산 가능성을 입증했다"며 "수계아연전지 상용화를 위한 에너지밀도 향상과 운용 온도범위 확장 등에 대한 기술개발을 진행할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(지난 10일자)' 온라인판에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
간편한 코팅으로 차세대 이차전지 폭발 위험 없이 오래 쓴다
김찬훈 생기원 박사






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