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.
아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하므로 폭발위험이 없다. 리튬이온 배터리의 대안 중 하나다. 하지만 기존 아연이온 이차전지도 아연금속 음극(-)이 물 기반 전해질에서 부식하고, 아연이온이 금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓이면서 전극 간 단락을 일으켜 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 아연금속 복합화, 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 시도가 이뤄지고 있으나 값비싼 공정비용과 시간 소모 등으로 해법을 마련하지 못했다.
연구팀은 이번 연구에서 아연금속 전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 '주기적 양극산화 공법’을 적용했다. 표면을 아연금속 육각뿔 피라미드가 촘촘하게 배열된 형태로 만들고, 육각뿔 표면에 산화아연 막을 형성해 전기화학 반응 중 덴드라이트가 발생하는 것을 원천 억제했다.
육각뿔 피라미드의 꼭짓점 부분에는 산화아연 막이 두껍게, 측면에는 얇게 형성했다. 아연금속과 전해질이 직접 접촉하는 것을 막아 부식을 방지하는 것으로 나타났다. 금속 표면에 수직방향으로 쌓이는 덴드라이트가 형성하는 것도 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다.
이 음극을 사용한 아연이온 이차전지는 9000mA/g를 약 2분 만에 총 용량의 완전 충·방전이 가능했고, 충·방전을 지속해도 1000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지했다.
이중기 책임연구원은 "고성능 아연금속 이차전지는 기존 리튬이온 배터리가 인체와 접촉할 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단하고 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능한 수준의 전기화학적 성능을 갖췄다"며 "안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것이다"라고 말했다.
이번 연구성과는 재료과학분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.
이광영 기자 gwang0e@chosunbiz.com