명승택 세종대 교수팀, 수명 증가 수계아연이온전지 개발

명승택 세종대 나노신소재공학과 교수./사진제공=세종대

세종대학교는 최근 명승택 나노신소재공학과 교수 연구팀이 수명 특성을 대폭 향상한 수계아연이온전지를 개발했다고 20일 밝혔다.

이차전지는 미래 에너지산업의 핵심 기술로 주목받고 있다. 초기에는 주로 소형 모바일 기기에 사용됐으나 현재는 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS) 등과 같은 중대형 기기에도 활용하는 사례가 늘고 있다.


하지만 리튬이온전지를 기반으로 한 ESS에서 화재 사고가 빈번하게 발생하면서 안전성에 대한 논란이 불거졌다. 폭발 위험성과 더불어 원재료 수급 불안정 등 다양한 문제가 대두되면서 상용 리튬이온전지를 대체할만한 안전하면서도 경제적인 차세대 에너지저장시스템으로 수계아연전지가 급부상하고 있다.

리튬이온전지는 발화성 물질인 유기용매 전해질을 사용한다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질 용매로 사용해 안전성이 높고 원재료의 가격은 리튬의 16분의 1에 불과하다.

에너지 밀도 측면에서도 아연 이온 하나당 두 개의 전자를 활용하는 특성을 지니기 때문에 이차전지 중에서도 높은 이론 용량을 자랑한다. 안전성과 경제성이라는 두 마리의 토끼를 모두 잡은 친환경 대용량 에너지 저장장치인 셈이다.


그러나 수계아연이온전지 또한 흔히 금속 음극을 사용하는 다른 전지와 같이 날카로운 수지상 결정이 형성되는 문제점을 갖고 있다. 수지상이 성장하면 충·방전이 진행됨에 따라 전지 내부 단락이 발생할 수 있고 이로 인해 전지 수명이 짧아진다.

명 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 아연 금속 음극 위에 얇은 금 나노 층을 코팅했다. 나노 두께의 금 코팅을 균일하게 증착하고 금의 아연 친화적인 특성을 활용해 수지상 결정 형성을 억제하는 메커니즘을 규명했다.

첫 아연 증착(Deposition)에서 아연과 금의 합금이 이뤄져 전극에 균일한 전기장을 발생시킨다. 이는 나노 두께의 금 코팅 층 속에 아연입자가 균일하게 증착되는 결과로 이어진다. 이렇게 만들어진 수계아연이온전지는 고전류에서도 1만 사이클이 넘는 우수한 수명 특성을 보였다.

명 교수는 "우리 연구팀은 금 코팅 층 속에 아연입자가 균일하게 증착되는 현상을 '포섭효과'(Embracing Effect)라고 명명했다. 이를 활용해 폭발 가능성이 억제되고 경제성이 뛰어난 수계아연이온전지를 개발할 수 있었다"며 "기존 전지보다 우수한 수명 특성을 갖기 때문에 상업화도 수월할 것"이라고 설명했다.