차세대 안전형 에너지저장장치인 수계 아연이온전지 분야에서 양극·음극 핵심 기술이 동시에 국내 개발됐다. 빠른 충전·방전 시에도 성능 저하를 줄이고 수명을 대폭 늘렸다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 성균관대 연구진과 수계 아연이온전지의 출력 저하, 전극 구조 손상, 덴드라이트 형성 문제를 동시에 해결하는 양극·음극 핵심 소재 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
물 기반 전해질을 사용하는 수계 아연이온전지는 화재 위험성이 낮고 가격 경쟁력이 높다. 다만 급속 충전·방전 반복시 배터리 성능이 급격히 떨어지고, 전극 구조가 쉽게 손상됐다. 또 아연 덴드라이트 현상으로 내부 단락이 발생할 수 있다.
연구진은 양극 분야 성능 저하 문제를 해결고자 기존 아연 이온 단독 반응하던 방식에서 벗어나, 칼륨 이온을 더한 '이중이온 삽입 구조'를 도입했다.
아연 이온은 전극 내에서 이동할 때 에너지 장벽이 높아 이동 속도가 느려지는 한계가 있었던 반면, 칼륨 이온은 이동이 자유롭다. 두 이온이 함께 반응하도록 전극을 설계함으로써 이온이 뭉치는 병목 현상을 줄이고, 고속 충·방전 시에도 배터리 출력 저하와 전압 손실을 개선했다.
여기에 철 기반 폴리아니온 구조를 양극 소재 골격으로 적용해 충·방전 과정에서 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 설계했다.
연구진은 음극 분야 난제였던 덴드라이트 현상도 해결했다. 블록공중합체 자기조립 공정을 활용해 금 나노씨드 배열과 환원 그래핀 나노층이 결합된 신개념 아연 전착 유도 나노구조화 계면을 구현했다.
개발한 계면은 아연 이온 이동과 초기 핵생성 과정을 균일하게 유도해 평탄하고 치밀한 아연 성장을 가능하게 해 덴드라이트 형성을 근본적으로 억제한다.
이 음극 기술은 3000시간 이상 장기 충·방전 환경에서도 안정적으로 동작했으며, 수소 발생과 부산물 형성도 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다.
또 기존 음극은 두꺼운 아연 금속을 사용하는 구조여서 배터리 에너지밀도가 낮아지는 한계가 있었는데, 이번 연구로 최소량 아연만 사용하는 안정적인 구동이 가능함을 입증했다. kg당 156.1Wh 수준의 높은 에너지밀도를 달성했다.
김종순 성균관대 교수는 “빠른 충·방전 과정에서 발생하는 성능 저하와 구조 열화는 수계 아연전지의 대표적 난제였다”며 “이번 연구는 이중이온 삽입 구조를 안정적으로 구현함으로써 속도 특성과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 방향을 제시했다”고 설명했다.
연구책임자인 신동옥 ETRI 박사는 “나노구조화 계면 설계를 통해 아연 금속의 초기 핵생성과 성장 방향을 동시에 제어함으로써 덴드라이트 없는 안정적인 아연 음극을 구현했다”며 “향후 고에너지밀도와 장수명을 동시에 요구하는 차세대 수계 이차전지 시스템에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구 성과 가운데 양극 소재 연구는 '에너지 스토리지 머티리얼스'에 지난해 10월 게재됐으며, 음극 소재 연구는 '나노-마이크로 레터스'에 지난달 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
