고려대, ‘차세대 아연 금속 음극 기반 수계 전해질’ 개발

▲ 수계 전해질 아연 금속 전지에서 앙쪽성 이온 첨가제의 효과를 나타내는 모식도 (자료=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 김동원) 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀 (제1저자: 허성호 석박통합과정, 최윤정 석박통합과정)이 수계 전해질 기반 아연 금속 전지에 양쪽성 이온을 전해질 첨가제로 사용하는 전략으로 수계 전해질 아연 금속 전지의 안정성이 저전류, 고전류 조건에서 모두 향상된 수계 전해질을 개발, 첨가제의 성능 향상 원인 규명에 성공했다.

기존의 상용화된 리튬 이온 전지에 사용되는 유기계 전해질을 사용하기 때문에 화제에 취약하다는 단점이 존재한다. 또한, 리튬은 낮은 지각 내 매장량과 높은 가격이라는 문제가 있어 증가하는 이차전지 수요를 충족하기 위한 대체재의 필요성이 부각됐다. 이에 따라 화제 위험성이 없는 수계 전해질과 리튬에 비해 낮은 가격과 높은 지각 내 매장량을 보이는 아연을 이용한 수계 전해질 아연 금속 전지가 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 수계 전해질 아연 금속 전지는 아연 금속의 수지상 성장으로 인한 낮은 수명 문제와 수계 전해질의 전기분해로 인한 수소 기체 발생이라는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 전해질 첨가제를 적용하는 다양한 선행 연구들이 진행돼왔다.

수계 전해질 아연 금속 전지는 아연이 음극 표면에서 산화/환원하여 용량을 발현한다. 아연의 환원 과정에서 수화된 아연 이온이 음극 표면에 접근하여 전자를 받고 아연 금속으로 증착하는데, 이 때 수화 구조에 참여하지 않는 자유 물 분자가 전자를 받고 수소 기체와 수산화 이온으로 분해되는 부반응과 아연 금속의 불규칙한 증착에 의한 수지상 성장이 발생한다. 전해질 첨가제는 수화된 아연 이온이 전극 표면에서 환원될 때 주변의 물 분자가 부반응에 참여하는 것을 막거나, 전극 표면에 첨가제가 흡착하여 물 분자와 다른 이온의 접근을 차단하면서 아연 금속의 균일한 성장을 유도하는 방식 등으로 성능 향상에 기여하는 것으로 알려져 있다.

유승호 교수팀은 앙이온의 아민기와 음이온의 카복실기가 모두 포함된 양쪽성 이온을 첨가제로 사용하여 아연 이온의 수화구조를 변형하는 방식으로 전해질의 부반응을 감소시키고 아연 표면에 양쪽성 이온이 흡착하며 자연적으로 형성된 이온 막을 통해 전해질로 인한 아연 금속의 부식을 막고 아연의 균일한 증착을 유도하여 안정성을 높혔다. 이를 통해 고전류에서도 높은 수명 특성을 보이는 차세대 수계 전해질 아연 금속 전지 전해질 개발에 성공했다. 또한, 이처럼 성능이 향상된 원인에 대해 전기화학적 분석과 화학종 분석을 통해 이해도를 높였다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘저널 오브 머터리얼 케미스트리 에이 (Journal of Material Chemistry A)’ (IF=11.9)에 8월 15일 자로 게재됐고, 우수한 젊은 과학자의 연구를 모은 Emerging Investigators 특집호에 출판됐다.

▲ (왼쪽부터) 유승호 고려대 교수, 허성호 고려대 석박통합과정, 최윤정 고려대 석박통합과정 (사진=고려대)

유승호 고려대 교수는 "이번 연구에서 제시된 양쪽성 이온 첨가 전략은 수지상 성장이 문제인 아연 금속 음극과 물의 전기분해가 문제였던 수계 전해질의 문제를 동시에 극복할 가능성을 보여주었고, 첨가제의 메커니즘 규명이 제공 되었기 때문에 전해질 첨가제 연구에 있어 중요한 지표로써 작용할 것으로 기대된다."고 밝혔다.