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