폭발·화재 위험 없는 아연이온전지 ‘전극부식’ 해법 찾았다

KIST 이중기 박사 "아연금속 표면처리 기술 개발…기존 아연이온전지 소재 한계 극복"

한국과학기술연구원(KIST)은 11일 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 물을 전해질로 사용해 폭발이나 화재 위험이 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지의 전극 부식 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

충·방전이 가능한 이차전지로는 리튬이온전지가 널리 사용되고 있지만 불안정해서 폭발 위험이 있는 리튬과 가연성 전해질을 사용해 화재 위험 등 안전성이 문제가 되고 있다.

리튬이온전지의 대안 중 하나로 물 기반의 전해질을 사용해 폭발 위험이 없는 아연이온 이차전지가 연구되고 있다. 하지만 기존 아연이온 이차전지도 아연금속 음극(-)이 물 기반 전해질에서 부식되고, 아연이온이 금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓이면서 전극 간 단락을 일으켜 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 아연금속 복합화, 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 시도가 이뤄지고 있으나 값비싼 공정비용과 시간 소모 등으로 산업화를 위한 해법은 되지 못하고 있다.

연구팀은 이 연구에서 아연금속 전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 ‘주기적 양극산화 공법(cyclic anodizing)을 적용해 표면을 아연금속 육각뿔 피라미드(hexagonal pyramid)가 촘촘하게 배열된 형태로 만들고, 육각뿔 표면에 산화아연 막을 형성해 전기화학 반응 중에 덴드라이트가 발생하는 것을 원천적으로 억제했다.

이렇게 만든 육각뿔 피라미드의 꼭짓점 부분에는 산화아연 막이 두껍게, 측면에는 얇게 형성돼 아연금속과 전해질이 직접 접촉하는 것을 막아 부식을 방지하는 것으로 나타났다. 나아가 금속 표면에 수직방향으로 쌓이는 덴드라이트가 형성되는 것도 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다.

이 음극을 사용한 아연이온 이차전지는 구조적, 전기화학적 안정성이 높아 상당히 가혹한 조건(9천㎃/g, 약 2분 만에 총 용량 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 1천번 반복해도 100%에 가깝게 용량을 유지했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 또 아연이온 이차전지를 자유럽게 구부릴 수 있는 유연한 섬유 형태로 제작, 직물로 만들어 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있음을 확인했다고 덧붙였다.

이중기 박사는 “고성능 아연이온 이차전지는 폭발, 화재 등 리튬이온전지의 잠재적 위험요인을 차단하고 전지용량도 기존 상용전지를 대체할 수 있는 수준이어서 안전한 인체친화형 차세대 이차전지로 주목받을 것으로 기대된다”며 “제조공정도 간단해 실용화 면에서도 경쟁력을 확보할 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials) 최신호에 게재됐다.

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