한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했습니다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고 섬유형태로 제조가 가능해 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있습니다. 해당 연구는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다.
폭발위험 없는 아연 이온 이차전지
최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나입니다.
하지만 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었습니다. 또한, 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하됩니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었습니다.
- 덴드라이트
아연 이온이 환원되어 금속 전극 표면에 증착될 때 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정입니다. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨립니다.
KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발해 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공했습니다.
덴드라이트 발생 억제했더니
KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했습니다. 싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있습니다. 이와 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도합니다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었습니다. 또한, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었습니다.
개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지했습니다.
KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조했습니다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었습니다.
KIST 이중기 책임연구원은 "이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다"며 "동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다"고 밝혔습니다. 이어 "높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다"고 밝혔습니다.
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