▲ 한국에너지기술연구원이 구리 산화물 기반의 신규 전극 소재와 전자 스펀지 기술을 개발해 수계아연전지 내구성을 높였다.

국내 연구진이 구리 산화물 기반의 신규 전극 소재와 ‘전자 스펀지’ 기술을 개발해 수계아연전지의 내구성을 기존보다 3배 향상시키는 데 성공했다. 덴드라이트 문제를 효과적으로 해결하며 에너지 효율과 안정성까지 높여 아연전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연)은 에너지저장연구단 양정훈·이찬우 박사 연구진이 구리 산화물 기반의 신규 전극 소재를 개발하고 수계아연전지에 적용해 내구성을 3배 개선하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

수계아연전지는 물을 전해질로 사용하는 이차전지로 휘발성의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지에 비해 화재 위험이 없고 친환경적이다. 또 제조 비용과 소재가 저렴해 차세대 에너지저장시스템(ESS)으로 주목받고 있다.

하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연금속이 길쭉하게 전착되는 덴드라이트 현상이 발생해 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 형성된 덴드라이트가 음극과 양극 사이에 있는 분리막을 뚫어 전기적 단락을 발생시키고 전지의 내구성에 심각한 영향을 미치기 때문이다.

연구진은 신규 구리 산화물 나노입자를 개발하고 음극의 전자를 효과적으로 흡수·방출하는 ‘전자 스펀지’ 기술을 통해 수계아연전지의 덴드라이트 형성을 억제하는데 성공했다. 이를 적용한 수계아연전지는 기존 전지 대비 3배 높은 내구성을 나타냈다.

연구진은 아연과 합금 특성을 갖는 다양한 후보 물질을 입자 크기별로 테스트했다. 그 결과, 나노입자 크기의 구리 산화물이 가장 우수한 아연 친화성을 나타낸다는 것을 밝혀냈다. 이를 기반으로 연구진은 신규 구리 산화물 나노입자를 개발해 수계아연전지에 적용했다.

아연전지의 음극에서 전자는 아연 이온과 만나 아연금속이 되고 전기를 저장하는데, 구리 산화물 나노입자는 스펀지가 물을 빨아들이듯 전자를 빨아들여 이를 중심으로 아연이 평평하게 형성된다. 이로써 무질서한 아연 형성으로 발생하는 덴드라이트를 억제하는 원리다.

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

연구진은 이 기술을 ‘전자 스펀지’라고 명명하고 계산과학을 통해 전자 스펀지 기술이 전지 충전에 사용되는 에너지의 손실까지 줄일 수 있다는 것을 증명했다. 이를 수계아연전지 중 아연-폴리요오드 흐름전지에 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 충전 용량 대비 방전 용량의 비율은 98.7%로 측정돼 높은 효율성을 가지고 있으며, 기존 보고된 아연-폴리요오드 흐름전지 대비 30% 이상 향상된 180Wh/L의 높은 에너지 밀도를 구현하는 데 성공함으로써 상용화의 가능성을 한층 높였다.

연구를 주도한 에너지연 양정훈·이찬우 박사는 “이번 연구를 통해 고성능·고안정성 차세대 아연 전지 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다”며, “개발한 신규 구리 산화물 전극소재를 3.5kW급 아연-폴리요오드 흐름 전지 실증 기술과 접목해 상용화 규모에서의 성능 검증도 신속하게 진행할 계획”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 삼성 미래기술 육성사업의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’(Nature Communications, IF 14.7) 1월호에 게재됐다.