친환경·고안정성 차세대 이차전지 소재 개발
하이브리드 전해질로 고용량·장수명 아연-알루미늄 합금 음극 구현
□ 전기차와 에너지저장시스템(ESS) 등 대형기기에 적용 가능한 고용량·고안정성 이차전지* 개발 경쟁이 치열한 가운데, 국내 연구진이 아연-알루미늄 합금 금속전지 전해질 개발을 통해 차세대 이차전지 소재 원천기술을 확보하였다.
* 이차전지 : 전기에너지를 화학에너지로 충전하고, 방전하는 과정에서 역반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 내보낼 수 있으며, 이러한 충방전 과정을 수백회 이상 반복할 수 있는 전기화학 셀이다. 납축전지, 니켈-카드뮴전지, 리튬이온전지 등이 있다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀이 아연-알루미늄 합금 음극과 하이브리드 전해액 조합을 통해 고용량, 장수명을 가진 아연-알루미늄 합금 이차전지 소재 개발에 성공했다고 밝혔다.
□ 최근 리튬이온전지의 에너지밀도 향상의 대안으로 리튬금속전지 연구가 활발하다. 특히 에너지저장 용량이 높고 매장량이 풍부한 비리튬계 금속인 알루미늄을 이용한 차세대 금속 음극 연구가 주목받고 있다.
○ 하지만 알루미늄 음극은 합성이 어려운 이온성 액체와 유기용매에서만 가역반응*이 가능하며, 쉽게 부식되는 한계가 있다.
* 가역반응 : 배터리 충방전 과정에서 발생하는 전기화학적 반응이 초기 상태로 되돌아올 수 있는 반응
○ 또한 친환경적인 물을 용매로 사용하는 수계 전해질은 이온전도도가 높고 가격이 낮지만, 부동화층 형성과 수소 발생이 단점이다.
□ 연구팀은 다양한 유기용매의 전기화학적·물리적 성질을 고려하고, 물과의 최적 조합을 찾아 알루미늄 이온 전해액을 설계한 뒤 아연 금속과 알루미늄 이온의 가역적인 합금 반응을 구현함으로써 난제를 극복하였다.
○ 실험 결과, 개발한 음극 소재의 수명이 7000시간이 넘음을 확인하였으며, 이는 기존 아연, 알루미늄, 합금 음극 중에서 가장 우수한 수명 특성으로 볼 수 있다.
○ 더불어 25마이크로미터(μm) 이하의 얇은 아연-알루미늄 합금 음극과 10 mg/cm2의 높은 로딩양*의 양극을 조합한 배터리 완전 셀(full cell)**을 제작한 실험에서도 183 mAh/g의 높은 용량과 5000회 이상의 장수명 특성을 구현하였다.
* 로딩양(mg/cm2) : 전극 단위면적당 활물질 무게를 의미함. 로딩양이 높을수록 전지 용량은 높아진다.
** 배터리 완전 셀 : 음극 혹은 양극 쪽에 알루미늄 이온을 무한히 공급할 수 있는 반쪽 셀과는 달리, 양극과 음극의 용량 균형을 맞추어서 제한된 알루미늄 이온을 공급하는 실제 상용화된 배터리에 가깝게 설계된 셀이다.
□ 박호석 교수는 “이번 연구는 아연-알루미늄 합금 음극과 하이브리드 전해액 조합을 통해서 리튬금속 전지의 문제점인 안전성과 가격 경쟁력을 해결하는 동시에 에너지밀도를 높일 소재 원천 기술을 확보한데 의의가 있다”고 밝혔다.
○ 향후에는 하이브리드 전해질에 대한 기초적인 이해를 통해 유기용매의 분자디자인과 조성 최적화, 배터리 셀 성능 향상을 위한 양극 최적화 등의 추가 연구를 수행할 계획이다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 9월 15일 게재 되었으며, 표지논문으로 선정되었다.
