코팅으로 배터리 수명 문제 해결...생기원, 차세대 이차전지 음극 보호 기술 개발

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생기원, 음극 표면 안정화 기술 개발
딥 코팅으로 500㎚ 친수성 보호막 구축
덴드라이트 형성·부식 반응 억제 성공
3000회 충방전에도 용량 유지율 93%

한국생산기술연구원(원장 이낙규)이 차세대 이차전지로 떠오르는 '수계아연이차전지' 음극 표면 안정화 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 가장 큰 상용화 걸림돌이던 배터리 수명 저하 문제를 해결했다.

수계아연이차전지는 물 기반 전해질을 사용해 발화 위험이 없다. 리튬이온전지 대안으로 주목받는다. 또 고온 열처리 없이 양극재 합성이 가능하며 일반 대기 중에서 전지 조립이 가능해 공정 이점도 크다.

음극 코팅에 활용된 딥코팅 공정 모식도와 음극 코틴층 단면 사진, 코팅한 대면적 수계아연이차전지로 녹색 LED를 점등한 모습.
<음극 코팅에 활용된 딥코팅 공정 모식도와 음극 코틴층 단면 사진, 코팅한 대면적 수계아연이차전지로 녹색 LED를 점등한 모습.>

그러나 아연 금속을 음극으로 사용해 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나고 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태 결정체(덴드라이트)로 쌓이기 쉽다. 이 결정체가 분리막을 뚫고 양극에 닿게 되면 단락을 일으켜 전지 수명을 급격히 저하시키고 화재도 유발한다.

김찬훈 생기원 제주본부 청정웰빙연구그룹 연구원팀은 아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 '친수성' 상태일수록 배터리 충전 시 아연 이온이 음극 표면에 더욱 균일하게 흡착돼 덴드라이트 형성이 억제된다는 사실을 밝혀냈다. 반대로 소수성 상태에서는 수십 마이크로미터(㎛) 크기 구형 덴드라이트가 생성되는 것도 포착했다.

아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 다르게 형성되는 덴드라이트 형태 모식도
<아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 다르게 형성되는 덴드라이트 형태 모식도>

연구팀은 나아가 딥 코팅(Dip-Coating) 공정으로 500나노미터(㎚) 두께 친수성 보호막을 음극 표면에 고르게 형성, 덴드라이트 형성과 부식 반응을 억제하는데 성공했다.

딥 코팅 공정은 음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 형성하는 방법이다. 연속 공정에 유리하다.

이 방식으로 음극 보호막을 형성한 결과 약 3000회 충·방전 반복 실험에서도 용량 유지율 93% 수명 특성을 보였다. 또 충전전력이 자연적으로 소모되는 비율인 '자기 방전율' 역시 비코팅 음극 대비 2배 이상 억제됐다. 더욱이 이번 연구는 대면적(176㎠) 아연 음극에서도 보호막을 형성, 양산 가능성을 입증했다는 점에서 차별화됐다.

김찬훈 연구원은 “이번 연구로 수계아연전지의 기술적 난제를 해결하고 상용화 가능성을 높였다”며 “재생에너지 과잉발전으로 출력제어 문제가 있는 제주에서 제주형 ESS 조기 개발에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

향후 연구팀은 이번 기초 연구성과를 더욱 발전시켜 수계아연전지 상용화에 추가적으로 요구되는 에너지밀도 향상 및 운용온도 범위 확장 기술개발에 주력한다는 계획이다. 한편 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 우수신진연구사업 지원을 받았고, 관련 논문이 지난 9월 10일 에너지 분야의 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(IF=23.101)' 온라인 판에 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com