[쿠키과학] ‘불 안 나는 차세대 배터리’… ETRI-성균관대, 급속 충전에도 오래가는 ‘아연이온전지’ 개발

한국전자통신연구원(ETRI)과 성균관대가 빠른 충·방전에도 성능 저하가 적고 수명이 긴 차세대 수계 아연이온전지 핵심 기술을 개발했다.

이 기술은 배터리 성능을 결정하는 양극과 음극을 동시에 혁신해 빠른 충·방전과 긴 수명, 높은 에너지밀도를 구현, 불이 잘 나지 않는 차세대 배터리로 주목받는 수계 아연이온전지의 상용화 가능성을 한층 높일 전망이다.

ETRI-성균관대 공동연구진은 수계 아연이온전지의 대표 난제로 꼽히는 출력 저하와 전극 열화, 덴드라이트 형성 문제를 해결하는 양극·음극 소재 기술을 각각 개발했다.

수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용하는 이차전지로, 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 화재 위험이 낮고 원료 가격도 저렴해 대규모 에너지저장장치와 재생에너지 저장 시스템에 적합한 차세대 배터리로 평가받는다.

그러나 급속 충전과 방전을 반복하면 성능이 떨어지고 전극이 손상되는 문제가 있다.

기존 수계 아연전지는 아연 이온만 전극 내부를 오가며 에너지를 저장한다.

반 아연 이온은 전극 내부에서 이동하는 속도가 상대적으로 느려 빠른 충·방전 환경에서 출력이 감소하는 한계가 있다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 아연 이온뿐 아니라 칼륨 이온도 함께 활용하는 ‘이중이온 삽입 구조’를 도입했다.

이는 하나의 운송로에 차량 한 종류만 다니던 방식에서 두 종류의 차량이 역할을 나눠 이동하도록 바꾼 것으로, 이동이 빠른 칼륨 이온이 함께 작동하면서 이온 이동 병목현상이 줄고, 급속 충·방전 시에도 출력 저하와 전압 손실을 효과적으로 억제한다.

양극 소재에는 철 기반 폴리아니온 구조를 적용했다.

폴리아니온은 인산염 계열처럼 결합력이 강한 결정 구조로, 건물 철골 구조처럼 전극 내부를 단단하게 지지해 충전과 방전을 반복해도 형태가 쉽게 무너지지 않도록 한다.

이는 베터리의 전극 열화를 줄이고 수명을 늘린다.

실제 높은 출력 조건에서 진행한 충·방전 시험에서 성능 유지율과 수명 특성이 크게 개선됐다.

또 원자와 전자 수준에서 물질 특성을 계산하는 제일원리 계산을 통해 칼륨 이온이 더 낮은 에너지 장벽으로 이동한다는 사실을 밝혀 성능 향상의 원인을 규명했다.

음극에서는 수계 아연전지 상용화를 가로막아온 덴드라이트 문제를 해결했다.

덴드라이트는 충전 과정에서 아연 금속이 나뭇가지처럼 뾰족하게 성장하는 현상이다.

덴드라이트가 반복적으로 자라면 배터리 내부 분리막을 뚫어 단락을 일으키고 수명을 크게 단축시킨다.

기존에는 이를 막기 위해 두꺼운 아연 금속을 사용하는 경우가 많았다.

하지만 두꺼운 음극은 배터리 무게를 늘려 에너지밀도를 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구진은 블록공중합체 자기조립 기술을 활용해 금 나노입자와 환원 그래핀 나노층이 결합된 나노구조화 계면을 개발했다.

블록공중합체는 서로 다른 특성을 가진 고분자가 연결된 소재로 스스로 규칙적인 나노구조를 형성하는 특징이 있다.

연구진이 개발한 계면은 아연 이온이 금속으로 변하기 시작하는 초기 단계인 핵생성 과정을 균일하게 유도한다.

이 과정에서 아연 결정이 안정적인 방향으로 성장하면서 덴드라이트 발생을 근본적으로 억제했다.

그 결과 두꺼운 아연 금속 없이도 안정적인 음극을 구현했다.

개발한 음극은 3000시간 이상 장기 충·방전 시험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

충전 과정에서 발생하는 수소 기체 생성 반응과 부산물 형성도 크게 줄였다.

특히 최소 수준의 아연만 사용하는 초저 N/P(음극과 양극의 용량 비율) 조건에서도 안정적인 작동을 입증했다.

일반적으로 수계 아연전지는 음극에 많은 양의 아연을 사용하지만, 이 비율을 낮출수록 배터리 무게가 줄어 에너지밀도를 높일 수 있다.

연구진은 N/P 비율 2 수준에서도 안정적으로 구동되는 배터리를 구현해 킬로그램당 156.1Wh의 에너지밀도를 달성했다.

연구진은 향후 전해질 조성과 전극 구조, 셀 설계를 추가로 최적화하고 파우치셀 기반 실증 연구를 통해 실제 응용 가능성을 검증할 계획이다.

성균관대 김종순 교수는 “빠른 충·방전 과정에서 발생하는 성능 저하와 구조 열화는 수계 아연전지 분야의 대표적인 난제였다"며 ”이중이온 삽입 구조를 안정적으로 구현해 속도 특성과 안정성을 동시에 향상시키는 방법을 제시했다"고 말했다.

이번 연구의 책임자인 ETRI 신동옥 박사는 “나노구조화 계면을 통해 아연 금속의 초기 핵생성과 성장 방향을 정밀하게 제어했다"며 ”고에너지밀도와 장수명을 동시에 요구하는 차세대 수계 이차전지 개발에 중요한 기반 기술이 될 것"이라고 설명했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com