전류 흐름·차단 반복 이용해 기존 아연 전극 개선
폭발이나 화재의 위험이 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 국내 연구진이 개발했다. 이 전지는 안정성이 높고 섬유형태로 제조가 가능해 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 가능성이 있다.
한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단의 이중기 박사 연구팀이 이같은 연구개발에 성공했다고 11일 밝혔다.
현재 스마트폰이나 노트북 등을 비롯해 각종 전자기기에 사용되는 '배터리'의 주 원료인 리튬이온전지는 다양한 전자기기에 활용되지만 화재 위험성이 단점이다. 리튬 전지 화재의 주원인은 가연성의 전해질인데, 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온전지를 대체할 후보 가운데 하나다.
기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극은 물 기반 전해질에서 지속해서 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때 나뭇가지 형태의 결정(덴트라이트)으로 쌓여 전극 간의 연결을 방해해 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 다양한 연구가 시도되고 있으나 공정비용과 시간의 소모라는 한계가 있었다.
이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 흐르게 했다가, 차단하는 것을 반복해 금속 표면을 가공하는 '사이클 양극산화공법'을 개발했다. 이를 통해 아연금속 표면코팅과 형상을 제어하는 데 성공했다. 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 만들어 전기화학 반응 중에 나뭇가지형 결정 발생을 억제했다.
사이클 양극산화공법을 이용하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께 차이는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다.
개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 극한의 조건으로 충·방전을 지속해도 1000번 반복하는 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다.
연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.
이중기 책임연구원은 "이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 안전한 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다"며 "높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다"라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행됐으며 국제학술지 '어드밴스트 펑셔날 매터리알스'(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.
