수계 아연금속 이차전지 성능 높일 新 구조체 개발
수계 아연금속 이차전지 성능 높일 新 구조체 개발
□ 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 수계 아연금속 이차전지의 성능을 높일 수 있는 새로운 구조체가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김동완 교수(고려대학교) 연구팀이 아연금속 이차전지의 성능을 높이고, 수명 절감의 다양한 원인을 해결할 수 있는 이중 계면 호스트*를 개발했다고 밝혔다.
* 이중계면 호스트 : 아연금속과 수계 전해질 사이에 아연금속이 수지상이 아닌 균일 증착될 수 있도록 다공성 탄소층과 아연산화물 이중으로 구성된 기능성 계면.
□ 리튬금속 전지와 달리 수계 전해질을 사용하는 아연금속 이차전지는 수계 이차전지 중에서도 안정성과 경제성 등에서 높은 이론 용량을 가지는 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있다.
⃝ 그러나 아연금속 전지의 음극으로 사용되는 상용 아연금속의 수지상* 성장, 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재**, 수계 전해질과의 부반응***등의 고질적인 문제들로 인해 여러 장점에도 불구하고 상용화 단계에 도달하지 못했다.
* 수지상 : 금속 배터리가 작동될 때 음극 표면에 바늘처럼 자라 분리막을 뚫고 배터리를 파괴해 성능 및 안전성을 해치는 문제로 여겨지고 있음.
** 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재 : 상용 아연금속의 경우 낮은 비표면적과 전기화학적 활성 장소의 부재(不在)로 빠르고 가역적인 전기화학적 반응을 저해함.
*** 수계 전해질과의 부반응 : 아연금속은 주로 수계 전해질에서 작동하기 때문에 물에 의한 아연금속의 부식은 부도체 부산물을 생성하고 전해질의 pH를 변화시켜 이차전지의 성능을 저해함.
□ 연구팀은 아연금속 이차전지의 고질적인 문제를 한 번에 해결하기 위해 넓은 비표면적, 아연 친화성*, 적절한 전기전도성 등을 충족하면서도 대량합성이 가능한 재료를 탐색하여 기능성 탄소와 아연 산화막 이중 계면의 시너지 작용을 이용한 아연금속 이중 계면 호스트를 개발하는 데 성공했다.
⃝ 기능성 탄소층은 높은 아연 친화성과 넓은 비표면적을 통해 아연금속을 수지상 성장 없이 균일하게 증착할 수 있고, 탄소의 소수성**은 전해질에 의한 부반응을 억제했다.
⃝ 또한, 아연금속의 저온 열처리로부터 형성된 아연 산화막은 탄소와 상반된 친수성 성질로 인해 수계 전해질이 아연 산화막 계면을 따라 탄소층에 스며들게 했고, 이를 통해 소수성인 탄소층 내부까지 아연금속이 효과적으로 증착됨을 확인할 수 있었다.
* 아연 친화성 : 아연 이온과 상대적으로 높은 결합 에너지를 나타냄을 뜻함.
** 소수성 : 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 뜻함.
□ 개발된 이중 계면 호스트는 탄소층과 아연 산화막의 상반된 성질을 상승작용으로 전환해 아연금속의 문제점들을 동시에 해결할 수 있었으며,
⃝ 아직 연구개발 단계에 있는 아연금속 음극의 상용화를 앞당기는데 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
⃝ 또한 연구팀은 향후 산업화 규모에서도 구현될 수 있는 아연금속 음극 연구의 진행이 지속적으로 필요하다고 전했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 10월 30일 온라인 게재되었다.
