저항 커져야 배터리 지킨다…켄텍, 금속전지 새 계면 발견

극저온 투과전자현미경과 전기화학 임피던스 분석

계면저항 증가 시 열화 발생 기존 통념 뒤집어

휴지 기간 동안 마그네슘 금속 표면에 흡착되고 전기화학 반응 시 탈착되는 동적 계면 현상. (그래픽=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍) 김민호 교수가 참여한 'KENTECH-UCLA-TOYOTA 국제공동연구팀'이 배터리를 사용하지 않는 동안 발생하는 '캘린더 에이징(calendar aging'의 원인을 규명하고 스스로 부식을 억제하는 차세대 금속 전지의 계면 설계 원리를 제시했다.

연구팀은 계면 저항 증가가 반드시 열화를 의미하는 것은 아니며 마그네슘 금속전지에서는 오히려 전극을 보호하는 가역적 현상이 될 수 있음을 확인했다.

15일 켄텍에 따르면 연구팀은 리튬·나트륨·마그네슘·알루미늄 금속전지를 비교해 충·방전 효율이 높더라도 장기 보관 안정성은 금속별로 크게 다르다는 사실을 확인했다.

특히 나트륨은 충·방전 과정에서 99.89%의 높은 쿨롱 효율을 보였지만 14일간 휴지한 뒤 회수 가능한 용량이 92.5%로 감소했으나 마그네슘은 같은 기간 약 0.4%의 낮은 용량 손실만 나타났다.

연구팀은 전기화학 임피던스 분광법(EIS)과 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)으로 계면 변화를 분석했다.

그 결과 마그네슘 전극에서는 휴지 시간이 길어질수록 계면 전하 전달 저항이 증가했으나 전기화학 반응을 재개하면 다시 낮아지는 현상을 확인했다.

이는 전해질 분자 흡착으로 일시적인 고저항 계면이 형성돼 부식을 억제하고 배터리를 다시 사용하면 계면이 재구성되는 '동적 계면'으로 확인됐다.

켄텍 김민호 교수(제1저자) (사진=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

연구팀은 이를 바탕으로 사용하지 않을 때 스스로 보호하고 필요할 때 활성화되는 새로운 전해질·계면 설계 전략을 제시했다.

김민호 교수는 "기존에는 계면저항 증가를 단순히 열화의 지표로 인식했지만 특정 조건에서는 금속을 보호하는 역할을 할 수 있음을 확인했다"며 "배터리 계면을 항상 낮은 저항 상태로 유지하는 것뿐 아니라 휴지 상태에서는 스스로 보호하고 구동 시 다시 활성화되는 동적 계면을 설계하는 것이 새로운 전략이 될 수 있다"고 말했다.

이번 연구 성과는 화학·에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 지난 5월 게재됐다.


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