아연 음극 표면에 생긴 결정체 형상한국생산기술연구원이 차세대 2차전지인 ‘수계아연 2차전지’의 배터리 수명 저하 문제를 해결했다고 15일 밝혔다.
최근 리튬이온 2차전지 기반 에너지 저장 장치(ESS)에서 잇따라 불이 나면서 물을 전해질로 사용해 폭발 위험이 없는 수계아연 2차전지가 차세대 2차전지 기술로 주목 받고 있다. 하지만 아연 금속을 음극으로 사용하기 때문에 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나게 되고, 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체로 쌓이기 쉽다는 문제가 있다. 이 결정체가 분리막을 뚫고 양극에 맞닿을 경우 단락을 일으켜 수명을 단축시키게 된다.
김찬훈 생기원 제주본부 박사 연구팀은 아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 결정체 형성이 억제되고 형태도 달라지는 것을 전자현미경을 통해 최초로 관찰해냈다.
아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 ‘친수성’ 상태일수록 배터리를 충전할 때 아연 이온이 음극 표면에 더 균일하게 흡착돼 결정체 형성이 억제된다는 사실을 밝혀냈다.
아연 음극 코팅에 활용된 딥 코팅 공정반면 소수성(疎水性·물을 배척하는 성질) 상태의 음극 표면에는 아연 이온 분포가 일부에 집중되면서 수십 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 크기의 결정체가 곳곳에 만들어지는 것을 확인했다.
연구팀은 딥 코팅 공정(음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 만드는 방법)을 통해 500㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 두께의 얇은 친수성 보호막을 균일하게 코팅하는 방법으로 결정체 형성과 부식 반응을 억제하는 데 성공했다. 실험실 수준을 뛰어넘는 176㎠의 대면적 아연 음극에서 구현해내 양산 가능성을 증명했다.
김찬훈 박사는 “수계아연 전지의 기술적 난제를 해결해 제주형 ESS 개발에 기여하겠다”며 “추가로 수계아연 전지의 에너지 밀도 향상과 운용 온도 범위 확장 기술을 개발해 상용화를 추진할 것”이라고 밝혔다.
