리튬이온전지보다 수명 3배 향상된 '물 기반 아연이온전지' 개발

연세대 이상영 교수팀, 고려대 곽상규 교수팀, 독일 카를스루에공과대 스테파노 파세리니(Stefano Passerini) 교수팀 국제 공동연구

(왼쪽부터) 연세대 이상영 교수, 고려대 곽상규 교수, 카를스루에공과대 Stefano Passerini 교수, 김원영 제1저자, 김홍이 제1저자, 이경민 제1저자. 사진 연세대 *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]허서우 인턴 기자 = 연세대는 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀과 고려대 곽상규 교수팀 및 독일 카를스루에공과대 스테파노 파세리니(Stefano Passerini) 교수팀이 국제 공동연구를 통해 폭발하지 않고, 저렴하며 기존 리튬이온전지보다 수명 특성이 3배 이상 향상된 물 기반 아연이온전지를 개발했다고 9일 밝혔다.

이번 연구는 대용량 에너지저장장치(ESS)의 수명 특성과 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 전 세계적으로 많은 주목을 받는 아연이온전지의 상용화를 위해 새롭게 전해질 설계 원리를 학술적으로 제시했다는 점에서 의의가 있다.

아연금속 음극이 물 기반 전해질에서 부식되며, 물의 환원성 분해로 인해 수소 기체가 발생해 전지 내 저항이 증가하는 문제가 있다. 또 다른 문제는 충·방전이 진행됨에 따라 아연금속이 뾰족한 수지상(덴드라이트) 형태의 결정으로 성장하면서 효율이 급격히 저하되고 전지 내부 단락이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 물과 아연금속의 접촉을 제한하는 표면 개질 또는 아연금속 복합화 방안이 제시됐으나, 복잡한 공정 과정과 비싼 가격으로 인한 제약이 있다. 또한, 물의 반응성을 낮출 수 있는 다양한 전해질 신소재도 연구되고 있으나, 전지 수명 한계에 부딪히며 상용화 수준까지 올라서지 못했다.

이러한 기존 한계를 극복하기 위해 연세대 이상영 교수 연구팀은 아연이온전지 맞춤형 이중상(biphasic) 전해질을 개발했다. 서로 다른 두 종류의 전해질이 물과 기름처럼 섞이지 않고 공존하는 것을 이중상 전해질이라고 하는데, 전해질 내 분자 간 상호작용을 조절함으로써 양극과 음극의 작동 환경에 최적화된 이중상 전해질을 구현했다.

본 연구의 이중상 전해질은 아연금속 음극의 부식과 수지상 성장을 효과적으로 억제해 99.6%의 높은 충·방전 효율을 보였고, 동시에 양극의 반응 속도를 향상했다. 또, 전해질 내 빠른 이온 전달을 가능하게 했다. 그 결과 폭발하지 않고, 가격 경쟁력이 우수하면서 기존 리튬이온전지보다 3배가량 우수한 수명 특성을 갖는 전지를 구현해 아연이온전지 실질적인 상업화 가능성을 선보였다.


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