복수의 우리 연구기관들이 합심해 수계아연전지 상용화를 위한 난제를 해결했다.
한국에너지기술연구원은 광주친환경에너지연구센터의 우중제 박사와 조재필 울산과학기술원(UNIST) 교수팀이 수계아연전지 '덴드라이트' 형성을 제어할 수 있는 전극 제조 핵심기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 이온 하나당 두 개 전자를 이용해 이온 당 한 개 전자를 이용하는 리튬 이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 용량을 기대할 수 있다.
다만 충전 과정에서 음극 표면에 아연이 길쭉하게 증착되는 덴드라이트 현상으로 수명이 짧아지는 문제가 있다. 덴드라이트가 분리막을 뚫어 단락을 일으키고 성능에 심각한 영향을 미친다. 덴드라이트는 리튬 이온전지보다 수계아연전지에서 더 활발하게 형성된다.
기존에는 구리 등 유도제로 아연 초기 성장을 촉진하고 균일 증착을 유도해 덴드라이트 형성을 억제하는 방식이 주였다. 그러나 전지 충·방전 반복시 덴드라이트 형성이 재발하는 문제가 있었다.
연구진은 산화구리를 활용해 균일한 아연 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어했다. 산화구리는 최적화된 전도성을 가져 일반 구리 대비 효율적인 증착이 가능하다.
산화구리는 아연을 균일 분포한 후 '비계'로 자체 변환된다. 비계는 아연의 무질서한 증착·성장을 억제하는 울타리 역할을 한다. 이를 통해 충·방전이 반복되면서 재발하는 덴드라이트 형성을 지속적으로 방지할 수 있다.
연구진 기술이 적용된 전지는 기존 수계아연전지보다 수명이 10배 이상 향상돼 상용화 가능성을 높였다.
연구진은 아연 증착 제어로 세계 최고 수준인 60㎃h/㎠ 면적 당 용량을 달성했다. 또 3000회 이상 전지 성능 실험으로 내구성을 입증했다. 64㎠ 대면적 전극에도 활용 가능함을 확인했다.
우중제 박사는 “덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가 물질·공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공했다”며 “개발 전극을 규격·시스템화하는 후속 연구로 수계전지 상용화를 앞당기는데 기여하겠다”고 밝혔다.
개발 기술은 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈' 8월호에 표지논문으로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
