[테크월드뉴스=장민주 기자] 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용해 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량생산의 기폭제가 될 것으로 전망된다.
아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지 밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제가 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시킨다.
기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다.
KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(깊은공융용매) 용액을 제조했다.
제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합해 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성하며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는데 성공했다.
이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식반응이 효과적으로 억제돼 7000회 이상의 반복적인 충방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지한다. 이는 상용 리튬이온 이차전지의 충방전 수명(1000~2000회)을 크게 상회하는 수치다.
KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS(에너지저장장치)의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발했다”며 “이번 고밀도 아연음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정을 결합해 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”고 말했다.
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