월간전기

에너지연 에너지저장연구단 양정훈·이찬우 박사 연구진이 구리 산화물 기반의 신규 전극 소재를 개발하고 수계아연전지에 적용해 내구성을 3배 개선하는 데 성공했다. 연구진은 신규 구리 산화물 나노입자를 개발하고 음극의 전자를 효과적으로 흡수·방출하는 ‘전자 스펀지(Electron Sponge)’ 기술을 통해 수계아연전지의 덴드라이트 형성을 억제하는 데 성공했다. 이를 적용한 수계아연전지는 기존 전지 대비 3배 높은 내구성을 나타냈다.

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로, 휘발성의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지에 비해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 제조 비용과 소재가 저렴하여 차세대 에너지저장시스템(ESS)으로 주목받고 있다. 특히 ‘아연-폴리요오드 흐름전지(ZIFB)’는 기존 상용화 단계에 들어선 ‘아연-브로민 흐름전지(ZBFB)’와 비교하여 반응특성, 환경 친화성 및 가격경쟁력 측면에서 보다 우수한 성능 특성을 갖추었다.

하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연금속이 길쭉하게 전착되는 덴드라이트(dendrite) 현상이 발생해 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 형성된 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 전기적 단락을 발생시키고 전지의 내구성에 심각한 영향을 미치기 때문이다. 따라서 전극과 평행하고 균일하게 성장하는 “(002) 결정성”은 음극의 안정성을 크게 개선할 수 있는 주요한 요소이다.

연구진은 아연과 합금 특성을 갖는 다양한 후보 물질을 입자 크기별로 테스트했다. 그 결과, 나노입자 크기의 구리 산화물이 가장 우수한 아연 친화성을 나타낸다는 것을 밝혀냈다. 산화구리(CuO)는 아연과의 강한 화학적/전자적 결합구조를 형성함으로써 기존에 연구되어 온 핵생성 시드1)들과는 차별화되는, 예외적으로 높은 아연 친화성을 나타낸다.

이를 기반으로 연구진은 신규 구리 산화물 나노입자를 개발해 수계아연전지에 적용했다. 아연전지의 음극에서 전자는 아연 이온과 만나 아연금속이 되고 전기를 저장한다. 구리 산화물 나노입자는 스펀지가 물을 빨아들이듯 전자를 빨아들여 이를 중심으로 아연이 평평하게 들러붙을 수 있도록 한다. 아연이 평평하게 형성됨으로써 무질서한 아연 형성으로 인해 발생하는 덴드라이트(dendrite)를 억제하는 원리다.

또 방전 시에는 스펀지에서 다시 물을 짜내듯 전자를 빠르게 방출하고, 아연금속의 용해를 촉진시켜 음극 표면에 남아있는 아연을 최소화하는 역할을 수행한다. 이를 통해 충·방전 과정이 반복될 때 남은 아연이 덴드라이트로 성장하는 것도 방지했다.

연구진은 해당 기술을 ‘전자 스펀지(Electron Sponge)’라고 명명하고, 계산과학을 통해 전자 스펀지 기술이 전지 충전에 사용되는 에너지의 손실까지 줄일 수 있다는 것을 증명했다. 이를 수계아연전지 중 ‘아연-폴리요오드 흐름전지’에 적용한 결과, 2,500회의 충·방전 시에도 덴드라이트가 형성되지 않았다. 기존 전지가 800회 정도에서 덴드라이트를 형성해 고장이 나는 것을 감안하면 3배 이상의 내구성을 나타낸 셈이다.

또 충전용량 대비 방전용량의 비율은 98.7%로 측정돼 높은 효율 특성을 나타냈다. 기존에 보고된 ‘아연-폴리요오드 흐름전지’ 대비 30% 이상 향상된 180Wh/L의 높은 에너지 밀도를 구현하는 데 성공함으로써 상용화의 가능성을 한층 높였다.

향후 아연 기반 이차전지의 주요 난제 가운데 하나인 ‘사이클 안정성’을 효과적으로 개선함으로써 안전하고, 안정적이며, 가격경쟁력이 우수한 차세대 ESS로서 아연전지의 시장 확대 가능성을 한층 높인 것이다.

연구진은 전극 표면에서의 전자의 분포 변화를 통해 ‘전자 스펀지’라는 새로운 개념을 도입하고, 이를 실제 ‘아연-폴리요오드 흐름전지’에 적용하여 실증함으로써 그 성능을 확인했다. 해당 작동원리는 아연 기반 이차전지에 국한되지 않고, 다양한 이차전지 전극 소재에 확장 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 양정훈·이찬우 박사는 “이번 연구를 통해 고성능·고안정성의 차세대 아연전지 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다”며 “개발한 신규 구리 산화물 전극소재를 3.5kW급 아연-폴리요오드 흐름전지 실증기술과 접목하여 상용화 규모에서의 성능 검증도 신속하게 진행할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 에너지연 기본사업과 삼성 미래기술 육성사업의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 국제학술지인 『네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)』(IF 14.7) 1월호에 게재됐다. 논문 제목은 <Zincophilic CuO as electron sponge to faciitate dendrite-free zinc-based flow battery>이다.

1) Nucleation seed : 전극에 금속이 전착 될 때 새로운 구조가 성장을 시작하도록 도와주는 초기 중심 물질