ETRI '빠른 충·방전에도 수명 긴 전지' 개발 속도 붙었다

성균관대와 공동 연구, 수계 아연이온전지 핵심 기술 개발

[대전=뉴시스] 고성능 차세대 수계 아연이온전지용 양극·음극 소재를 동시 개발한 연구진.(사진=ETRI 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 차세대 에너지저장장치로 주목받는 수계(水系) 아연이온전지의 안정성 높은 양극과 음극 핵심기술이 한꺼번에 개발돼 빠른 충전 및 방전 때도 성능 저하를 줄이고 수명은 크게 늘릴 수 있는 전지 개발에 속도가 붙게 됐다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 성균관대학교와 공동 연구를 통해 수계 아연이온전지의 난제였던 출력 저하, 전극 구조 손상, 덴드라이트 형성 문제를 동시에 해결할 수 있는 양·음극 핵심 소재기술을 확보했다고 4일 밝혔다.

물 기반의 전해질을 사용하는 수계 아연이온전지는 리튬이온전지 보다 화재 위험성이 낮고 가격 경쟁력은 높아 차세대 이차전지로 주목받고 있다.
 
하지만 급속충전과 방전을 반복하면 배터리 성능이 급격히 떨어지고 전극구조가 쉽게 손상되는 문제가 있다. 전지를 사용하는 과정에서 아연 덴드라이트 현상이 발생해 전지내부에서 단락을 일으켜 수명을 단축시키고 고장을 유발하는 점도 상용화의 걸림돌이다.

이번에 공동 연구진은 양극의 성능 저하 문제를 해결키 위해 아연 이온(Zn2+)만 단독으로 반응하던 기존 방식과 달리 칼륨 이온(K⁺)이 함께 작동하는 '이중이온 삽입 구조'를 도입했다.

아연 이온은 전극 내부에서 이동할 때 에너지 장벽이 높아 이동 속도가 느려지는 한계가 있는 반면 칼륨 이온은 상대적으로 이동이 자유롭다.
 
연구진은 이런 두 특성의 이온을 함께 반응토록 전극을 설계해 이온이 뭉치는 병목현상을 줄이고 고속 충·방전 시에도 배터리의 출력 저하와 전압 손실을 개선하는데 성공했다.

또 철 기반 폴리아니온(polyanion) 구조를 양극 소재로 적용해 충·방전 과정에서도 전극구조가 안정적으로 유지되도록 했다. 이를 통해 반복 사용 시 발생하는 구조열화가 크게 줄어 수명이 늘게 됐다.

연구진이 실제 고율 충·방전환경에서 성능평가를 진행한 결과, 출력유지 특성과 장기안정성이 크게 향상된게 확인됐고 칼륨 이온이 특정 구조에서 더 낮은 이동 장벽을 가진다는 점도 밝혀냈다.

이어 연구진은 블록공중합체(block copolymer) 자기조립 공정을 활용해 금 나노씨드(Au nanoseed) 배열과 환원 그래핀(rGO) 나노층이 결합된 신개념의 아연 전착 유도 나노구조화 계면을 구현했다.

개발된 나노구조화 계면은 아연 이온의 이동과 초기 핵생성 과정을 균일하게 유도해 낮은 두께의 아연 음극 제조가 가능하다. 특히 아연의 성장방향을 안정적인 형태로 제어, 덴드라이트 형성을 근본적으로 억제한다.

이 음극 기술은 3000시간 이상의 장기 충·방전 환경에서도 안정적으로 동작했으며 수소 발생과 부산물 형성도 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다.

성균관대 김종순 교수는 "빠른 충·방전 과정에서 발생하는 성능 저하와 구조 열화는 수계 아연전지의 대표적 난제였다"며 "이번 연구서 이중이온 삽입 구조를 안정적으로 구현, 속도 특성과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 방향을 제시했다"고 설명했다.

연구 결과 중 양극 소재에 대한 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 지난해 10월 게재됐으며 음극 소재 연구는 나노 분야 국제학술지 '나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)'에 지난달 실렸다.

ETRI 신동옥 박사는 "나노구조화 계면설계를 통해 아연 금속의 초기 핵생성과 성장방향을 동시에 제어토록해 덴드라이트 없는 안정적인 아연 음극을 구현했다"며 "향후 고에너지밀도와 장수명을 동시에 요구하는 차세대 수계 이차전지 시스템에 효과적으로 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]