수계아연전지는 전해질로 물을 사용하는 이차전지로 리튬 이온전지에 비해 화재 위험이 없어 배터리 대안으로 꼽힌다. 국내 연구진이 수계아연전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술을 개발했다.
우중제 한국에너지기술연구원(에너지연) 광주친환경에너지연구센터 책임연구원, 조재필 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구진이 수계아연전지의 치명적인 문제인 덴드라이트 형성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 8월호에 표지논문으로 게재됐다.
수계아연전지의 아연은 이온 하나당 두 개의 전자를 이용한다. 따라서 이온당 한 개의 전자를 이용하는 리튬을 이용한 이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 용량을 구현할 수 있다. 하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연이 길쭉하게 증착되는 덴드라이트 현상이 발생해 수명이 짧아진다는 한계가 있었다. 형성된 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 단락을 일으키기 때문이다.
기존에는 구리와 같은 성분을 첨가해 아연이 균일하게 증착되도록 유도하면서 덴드라이트 형성을 억제하는 방식을 활용했다. 그러나 전지의 충·방전이 반복되면 덴드라이트 현상이 재발했다.
연구진은 산화구리를 활용해 단계적으로 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 산화구리는 일반 구리와 비슷한 역할을 하면서도 아연을 균일한 분포로 증착시키는 데 최적화된 전도성을 갖고 있다. 따라서 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다.
개발한 방식으로 제작된 전극을 전지에 적용한 결과, 기존 전지 대비 10배 이상 향상된 수명을 나타냈다. 아연 증착을 제어해 세계 최고 수준인 60㎃·h/㎠의 면적당 용량을 달성하는데 성공했다. 또 3000회 이상의 전지 성능 실험을 통해 내구성을 검증했고, 64㎠의 대면적 전극에도 활용할 수 있다는 것을 확인했다.
우중제 책임연구원은 “이번 연구의 의의는 수계아연전지의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 실마리를 제공한 것”이라며 “향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화하는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다”고 밝혔다.
참고 자료
Advanced Energy Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401820