이차전지 성능 높일 새로운 구조체 개발
이차전지 성능 높일 새로운 구조체 개발
  • 이웃집편집장
  • 승인 2022.12.31 14:39
  • 조회수 2036
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친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 수계 아연금속 이차전지의 성능을 높일 수 있는 새로운 구조체가 국내 연구진에 의해 개발됐습니다. 

 

한국연구재단은 김동완 교수(고려대학교) 연구팀이 아연금속 이차전지의 성능을 높이고, 수명 절감의 다양한 원인을 해결할 수 있는 이중 계면 호스트[1]를 개발했다고 밝혔습니다. 

[1] 이중계면 호스트 : 아연금속과 수계 전해질 사이에 아연금속이 수지상이 아닌 균일 증착될 수 있도록 다공성 탄소층과 아연산화물 이중으로 구성된 기능성 계면.  

 

리튬금속 전지와 달리 수계 전해질을 사용하는 아연금속 이차전지는 수계 이차전지 중에서도 안정성과 경제성 등에서 높은 이론 용량을 가지는 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있는데요. 

그러나 아연금속 전지의 음극으로 사용되는 상용 아연금속의 수지상[2] 성장, 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재[3], 수계 전해질과의 부반응[4]등의 고질적인 문제들로 인해 여러 장점에도 불구하고 상용화 단계에 도달하지 못했습니다.

[2] 수지상 : 금속 배터리가 작동될 때 음극 표면에 바늘처럼 자라 분리막을 뚫고 배터리를 파괴해 성능 및 안전성을 해치는 문제로 여겨지고 있음

[3] 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재 : 상용 아연금속의 경우 낮은 비표면적과 전기화학적 활성 장소의 부재(不在)로 빠르고 가역적인 전기화학적 반응을 저해함

[4] 수계 전해질과의 부반응 : 아연금속은 주로 수계 전해질에서 작동하기 때문에 물에 의한 아연금속의 부식은 부도체 부산물을 생성하고 전해질의 pH를 변화시켜 이차전지의 성능을 저해함

 

연구팀은 아연금속 이차전지의 고질적인 문제를 한 번에 해결하기 위해 넓은 비표면적, 아연 친화성[5], 적절한 전기전도성 등을 충족하면서도 대량합성이 가능한 재료를 탐색하여 기능성 탄소와 아연 산화막 이중 계면의 시너지 작용을 이용한 아연금속 이중 계면 호스트를 개발하는 데 성공했습니다. 

기능성 탄소층은 높은 아연 친화성과 넓은 비표면적을 통해 아연금속을 수지상 성장 없이 균일하게 증착할 수 있고, 탄소의 소수성[6]은 전해질에 의한 부반응을 억제했습니다.

또한, 아연금속의 저온 열처리로부터 형성된 아연 산화막은 탄소와 상반된 친수성 성질로 인해 수계 전해질이 아연 산화막 계면을 따라 탄소층에 스며들게 했고, 이를 통해 소수성인 탄소층 내부까지 아연금속이 효과적으로 증착됨을 확인할 수 있었습니다. 

[5] 아연 친화성 : 아연 이온과 상대적으로 높은 결합 에너지를 나타냄을 뜻함.

[6] 소수성 : 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 뜻함.

기능성 탄소 호스트와 친수성 아연 산화막의 효과.(왼쪽) 상용 아연금속 포일이 국부적으로 집중되는 전기장과 아연 이온 흐름으로 인해 불균일한 아연금속의 증착과 아연 수지상 및 융기가 발생하는 것과는 반대로, 기능성 탄소 호스트의 경우, 넓은 비표면적과 친아연성 작용기들로 인해 전기장과 아연 이온의 흐름을 균일하게 유도해 아연 수지상 및 융기 없이 균일한 아연 증착을 가능하게 한다. (오른쪽) 친수성 아연 산화막의 경우, 기능성 탄소 호스트의 소수성 성질로 인해 전해질이 호스트 내부로 효과적으로 흡습 되지 못하는 현상을 해결하여 아연금속이 호스트 내부까지 증착될 수 있도록 도와준다. 그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수
기능성 탄소 호스트와 친수성 아연 산화막의 효과.(왼쪽) 상용 아연금속 포일이 국부적으로 집중되는 전기장과 아연 이온 흐름으로 인해 불균일한 아연금속의 증착과 아연 수지상 및 융기가 발생하는 것과는 반대로, 기능성 탄소 호스트의 경우, 넓은 비표면적과 친아연성 작용기들로 인해 전기장과 아연 이온의 흐름을 균일하게 유도해 아연 수지상 및 융기 없이 균일한 아연 증착을 가능하게 한다. (오른쪽) 친수성 아연 산화막의 경우, 기능성 탄소 호스트의 소수성 성질로 인해 전해질이 호스트 내부로 효과적으로 흡습 되지 못하는 현상을 해결하여 아연금속이 호스트 내부까지 증착될 수 있도록 도와준다. 그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 건축사회환경공학부 김동완 교수

개발된 이중 계면 호스트는 탄소층과 아연 산화막의 상반된 성질을 상승작용으로 전환해 아연금속의 문제점들을 동시에 해결할 수 있었으며, 아직 연구개발 단계에 있는 아연금속 음극의 상용화를 앞당기는데 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다.

연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 10월 30일 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Synergistic Design of Multifunctional Interfacial Zn Host toward Practical Zn Metal Batterties


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