 UNIST-에너지연, 화재 위험 없는 수계아연전지 난제 해결 산화구리 통해 치명적인 문제인 덴드라이트 형성 억제 성공 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수 연구팀과 광주친환경에너지연구센터 우중제 박사가 공동으로 수계아연전지의 덴드라이트 형성을 제어할 수 있는 전극 제조 핵심기술을 개발했다. 연구팀은 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어하는데 성공했다. 이를 통해 제작된 전극을 전지에 적용한 결과, 기존 전지 대비 10배 이상 향상된 수명을 나타낸 것으로 밝혀졌다.
정리 편집부 자료제공 KIER
수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로, 휘발성의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지에 비해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 이온당 한 개의 전자를 이용하는 리튬이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 용량을 기대할 수 있다.
이러한 수계아연전지의 단점은 충전 과정에서 발생하는 덴드라이트에 있다. 덴드라이트(dendrite)란 전지의 충전 과정에서 음극에 금속이온이 무질서하게 증착되면서 나뭇가지 모양으로 길쭉하게 쌓이는 현상을 말한다. 덴드라이트의 불규칙한 성장이 진행되면 단락(쇼트)을 일으켜 전지의 안정성에 심각한 영향을 미치고, 전지의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 덴드라이트는 리튬이온전지보다 수계아연전지에서 더 활발하게 형성되기 때문에 기술 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.
산화구리 단계적 활용해 덴드라이트 형성 제어 기존에는 구리 등의 유도제를 첨가해 아연의 초기 성장을 촉진하고 균일하게 증착되도록 유도하면서 덴드라이트 형성을 억제하는 방식이 주로 활용되었다. 그러나 전지의 충·방전이 반복되면 덴드라이트 형성이 재발한다는 문제가 있었다.
이에 연구진은 산화구리를 활용해 단계적으로 덴드라이트 형성을 제어하는 방법을 고안했다. 산화구리는 일반 구리와 마찬가지로 아연의 초기 성장을 촉진하고 유도 증착시키는 역할을 수행한다. 또한 아연을 균일한 분포로 증착시키는데 최적화된 전도성을 갖고 있어 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다.
산화구리는 아연을 균일 분포한 후 비계(Scaffold)로 자체 변환된다. 비계란 아연과 같은 금속의 무질서한 증착을 물리적으로 억제하기 위해 나노-마이크로 크기로 구성한 구조물을 뜻하는데, 비계가 울타리와 같은 역할을 해 아연의 무질서한 증착과 성장을 억제한다. 이를 통해 충·방전이 반복되면서 재발하는 덴드라이트 형성을 지속적으로 방지할 수 있게 된다.
기존 전지보다 수명 10배 향상, 상용화 기대↑ 연구진의 기술이 적용된 전지는 기존의 수계아연전지보다 수명이 10배 이상 향상되어 상용화의 가능성을 높였다. 일반 수계아연전지는 300사이클의 충·방전 이후 덴드라이트 형성으로 인해 용량이 80% 이하로 감소한다.
그러나 연구진은 아연 증착을 제어해 세계 최고 수준인 60mAh/㎠의 면적 당 용량을 달성하는 데 성공했다. 또 3,000 사이클의 충·방전 이후에도 80%의 용량을 유지하며 내구성을 입증했으며, 64㎠의 대면적 전극에도 활용이 가능함을 확인했다.
연구책임자인 우중제 박사는 “이번 연구의 의의는 수계아연전지의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공한 것”이라고 말했다. 그는 또 “향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화라는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는데 기여하겠다”고 포부를 밝혔다.
이번 연구는 덴드라이트 형성 제어를 통한 차세대 수계전지 상용화에 대한 기대를 심어주었으며, 금속 전극을 활용하는 전지의 활성화 및 상용화에 기여했다는 평을 받고 있다. 새로운 개념의 전극 구조와 아연 제어 메커니즘 제안을 통한 관련 후속 연구의 양성에 대한 기대가 커지고 있다.
한편, 연구진이 개발한 기술은 에너지·재료 분야 저명 학술지 「어드밴스트 에너지 머티리얼즈」(Advanced Energy Materials, IF 24.4, 상위 2.9%) 8월호에 표지논문으로 게재됐다.
<Energy News>
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