경희대학교는 중국 양저우대학과 공동으로 수계 아연 금속 배터리의 수명 저하 원인을 줄이는 전해질 첨가제 기술을 개발했다.
경희대는 웨어러블융합전자연구소 유재수 교수 연구팀이 수계 아연 금속 배터리에서 덴드라이트 형성과 부반응을 억제하는 이중 첨가제 전해질 엔지니어링 전략을 제시했다고 29일 밝혔다.
수계 아연 금속 배터리는 물 기반 전해질을 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 화재 위험이 낮고, 원료인 아연 가격도 비교적 저렴하다. 다만 충전과 방전을 반복하는 과정에서 아연 전극 표면에 뾰족한 결정 구조인 덴드라이트가 형성되고, 부반응이 발생해 수명이 줄어드는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 전해질에 천연 아미노산인 'L-시스테인'과 유기 화합물 '메틸 프로피오네이트(MP)'를 함께 넣었다. MP는 전해질 내부의 수소결합 구조를 조절해 아연 이온과 물 분자 사이 결합을 약화하고, 아연 이온이 전극 표면에서 더 쉽게 탈용매화되도록 돕는다.
L-시스테인은 아연 표면에 우선 흡착해 보호층을 형성한다. 이 보호층은 질화아연, 황화아연, 산화아연 등 무기 성분을 포함해 부반응과 덴드라이트 성장을 줄이는 역할을 한다.
성능 평가 결과, 아연 대칭 셀은 3000시간 이상 안정적으로 작동했다. 아연-아이오딘 파우치 셀은 800회 충·방전 뒤에도 초기 용량의 93.1%를 유지했다.
구부림, 바늘 관통, 절단 등 물리적 손상 조건에서도 정상 작동해 웨어러블 기기 등 유연 전자소자 분야 적용 가능성도 확인했다.
유재수 교수는 “이번에 개발한 첨가제 선별 방법은 다양한 수계 배터리 개발에 폭넓게 활용할 수 있을 것”이라며 “안전하면서도 오래 쓸 수 있는 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가섰다”고 말했다.
이번 연구 결과는 최근 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
용인=김동성 기자 estar@etnews.com
