수계 아연금속 이차전지 성능 높일 새 구조체 개발

연구재단, 고려대 김동완 교수팀 이중계면 호스트 개발

'산화막 상반된 성질' 이용…기존 문제 극복

이중층 시너지 작용 통해 고성능화 실마리 마련

[대전=뉴시스] 고려대서 개발한 기능성 탄소 호스트와 친수성 아연 산화막으로 구성된 이중 계면 호스트의 아연금속 증착 메커니즘.   *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 수계 아연금속 이차전지의 성능을 높일 수 있는 새 구조체가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 고려대학교 김동완 교수팀이 아연금속 이차전지의 성능을 높이고 수명단축의 다양한 원인을 해결할 수 있는 '이중 계면 호스트'를 개발했다고 28일 밝혔다.
 
이중계면 호스트는 아연금속과 수계 전해질 사이에 아연금속이 균일하게 증착될 수 있도록 다공성 탄소층과 아연산화물 이중으로 구성된 기능성 계면이다. 

리튬금속 전지와 달리 수계 전해질을 사용하는 아연금속 이차전지는 수계 이차전지 중에서도 안정성과 경제성 등에서 우월해 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있다.
 
하지만 아연금속 전지의 음극으로 사용되는 상용 아연금속의 수지상 성장, 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재, 수계 전해질과의 부반응 등 여러 문제로 장점에도 불구하고 상용화 단계에 도달하지 못하고 있다.

수지상은 금속 배터리가 작동될 때 음극 표면에 바늘처럼 자라 분리막을 뚫고 배터리를 파괴해 성능 및 안전성을 해친다.
 
이번에 연구팀은 아연금속 이차전지의 고질적인 문제를 한번에 해결키 위해 넓은 비표면적, 아연 친화성, 적절한 전기전도성 등을 충족하면서도 대량합성이 가능한 재료를 탐색해 기능성 탄소와 아연 산화막 이중 계면의 시너지 작용을 이용한 아연금속 이중 계면 호스트를 개발하는데 성공했다.
 
시험 결과, 기능성 탄소층은 높은 아연 친화성과 넓은 비표면적을 통해 아연금속을 수지상 성장 없이 균일하게 증착할 수 있도록 했고 탄소의 소수성은 전해질에 의한 부반응을 억제했다.
 
또 아연금속의 저온 열처리로부터 형성된 아연 산화막은 탄소와 상반된 친수성 성질로 인해 수계 전해질이 아연 산화막 계면을 따라 탄소층에 스며들게하고 이를 통해 소수성인 탄소층 내부까지 아연금속이 효과적으로 증착됨이 확인됐다.

개발된 이중 계면 호스트는 탄소층과 아연 산화막의 상반된 성질을 상승작용으로 전환해 아연금속의 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 10월 30일 게재됐다.(논문명:Synergistic Design of Multifunctional Interfacial Zn Host toward Practical Zn Metal Batterties)

연구팀 관계자는 "아직 연구개발 단계에 있는 아연금속 음극의 상용화를 앞당기는데 이바지할 수 있을 것으로 기대된다"면서도 "향후 산업화 규모에서도 구현될 수 있는 아연금속 음극 연구를 지속할 필요가 있다"고 말했다.


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