세종대 연구팀, '수명 대폭 연장' 아연이온전지 개발

▲세종대학교 나노신소재공학과 명승택 교수.

[에너지경제신문 김철훈 기자] 세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 명승택(사진) 교수 연구팀이 수명 특성을 대폭 향상한 수계아연이온전지를 개발했다.

21일 세종대에 따르면, 미래 에너지산업에서 주목받는 핵심 기술인 이차전지는 초기에는 주로 소형 모바일 기기에 사용됐으나 최근 전기자동차 및 에너지저장시스템(ESS) 등과 같은 중대형 기기에도 적용되고 있다.

그러나, 리튬이온전지를 기반으로 한 ESS에서 화재 사고가 빈번하게 발생하면서 안전성에 대한 논란이 증가하고 있다. 리튬이온전지의 폭발 위험성과 원재료 수급 불안정 등의 이슈가 대두되면서 상용 리튬이온전지를 대체할만한 안전하면서도 경제적인 차세대 에너지저장시스템으로 수계아연전지가 주목받고 있다.

수계아연전지는 발화성 물질인 유기용매 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 비교했을 때가 아닌 물을 전해질의 용매로 사용해 안전성이 매우 높고 원재료의 가격은 리튬의 16분의 1에 불과하다. 에너지 밀도 측면에서 봤을 때, 아연 이온 하나당 두 개의 전자를 활용하는 특성을 가지고 있기 때문에 이차전지 중에서도 높은 이론 용량을 가지며 안전성과 경제성 등에서도 우수한 친환경 대용량 에너지 저장장치다.

하지만 아연이온전지 또한 흔히 금속 음극을 사용하는 여타 전지와 비슷하게 날카로운 수지상 결정이 형성되는 문제점을 가진다. 이러한 수지상이 성장하면 충·방전이 진행됨에 따라 전지 내부 단락이 발생할 수 있고 이로 인해 전지 수명이 짧아지게 된다.

세종대는 명승택 교수팀이 이러한 기존 한계를 극복하기 위해 아연 금속 음극 위에 나노 층의 금 코팅을 적용시켰다고 소개했다.

이번 연구에서는 나노 두께의 금 코팅을 균일하게 증착하고 금의 아연 친화적인 특성으로 인해 수지상 결정의 형성을 억제시키는 메커니즘을 규명했다. 첫 아연의 증착(deposition)에서 아연과 금의 합금이 이루어지며, 이는 전극에 균일한 전기장을 발생시키고 결과적으로 나노 두께를 가진 금 코팅 층 속에 아연입자가 균일하게 증착돼 고전류에서도 1만 사이클이 넘는 우수한 수명 특성을 확인했다고 덧붙여 설명했다.

이같은 금 코팅 층 속에 균일하게 증착되는 현상을 ‘포섭효과(embracing effect)’ 라 명명했다. 이번 논문에서, 폭발 가능성을 억제하고 가격 경쟁력이 우수하면서도 기존 아연이온전지보다 우수한 수명 특성을 갖는 전지를 구현해 아연이온전지의 실질적인 상업화 가능성을 선보였다고 대학측은 연구 성과의 의미를 강조했다.