싸고 안전한 ‘아연 전지’ 실용화 방법 찾았다

착수소화물을 이용한 아연 전극 보호 원리 [사진=GIST]

 

[이뉴스투데이 김진성 기자] 우리 주변에서 볼 수 있는 충전식 배터리는 대부분 ‘리튬’을 이용한다. 충전량이 높고 전기 저장용량이 커 다양한 분야에 응용되고 있다. 그러나 가격이 높고 폭발 위험성도 있어 대용량 에너지 저장장치(ESS)로 만들기엔 불리한 점이 많았다. 이에 맹물을 전해질로 사용하는 ‘수계 아연 금속전지’가 차세대 대용량 에너지저장장치(ESS) 후보로 주목받고 있으나, 충전과 방전을 반복하면 전극이 손상되면서 수명이 극도로 짧아진다는 점이 상용화의 걸림돌이 돼 왔다.

국내 연구진이 이러한 아연 금속전지의 약점을 보완할 수 있는 새로운 전해질 설계 원리를 찾아냈다. 광주과학기술원(GIST)은 김상륜 화학과 교수팀은 한국에너지기술연구원 및 이화여대 연구팀과 공동으로 ‘수계(水系) 아연 금속전지’의 전극 손상을 억제하고 전극 안정성을 높일 수 있는 원리를 발견했다고 11일 밝혔다.

아연전지는 불이 붙기 쉬운 유기용매 대신 물을 사용해 화재 위험이 낮고, 리튬보다 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 것이 장점이다. 기존 아연전지의 수명이 짧은 이유는 충방전 과정에서 물과 아연이 반응하면서 발생한 수소로 인해 산화아연(ZnO)와 같은 부산물이 발생하고, 이것이 쌓이며 점차 전극이 손상되기 때문이다. 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 배터리액에 ‘착수소화물(수소를 포함한 복합 구조의 물질)’이라는 물질을 첨가했다. 이 물질은 물에 녹으면 아연이온과 착음이온으로 나뉜다. 평소에는 전해질 자체의 성질을 바꾸지 않다가, 충·방전이 시작되면 아연 전극 표면에서만 반응해 얇은 보호막을 생성한다. 이 보호막이 물과 아연의 직접적인 반응을 줄여 수소 발생과 아연 부식을 억제하고, 아연이 전극 표면에 고르게 쌓이도록 돕는 방식이다. 

연구팀은 ‘X선 광전자 분광법(XPS)’과 ‘비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS)’ 등의 정밀 분석 방법을 동원해 확인한 결과, 100회 충·방전 이후에도 보호막이 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했다.

실제 전기화학 실험도 진행했다. 이 전해질을 적용해 대칭전지(아연전지의 실용화 단계)를 제작해 실험한 결과 최대 3000시간 동안 안정적으로 작동한다는 사실을 알아냈다. 또 아연과 산화바나듐을 함께 적용한 배터리를 만들어 이 전해질을 적용하자 5000회 충·방전 후에도 초기 용량의 96.55%를 유지했다. 충전 전기량 대비 방전으로 회수되는 전기량의 비율을 확인하는 ‘쿨롱 효율’은 99.8%를 기록했다. 반면 기존 전해질을 그대로 사용한 배터리가 46.40%밖에 유지하지 못했다.

김상륜 교수는 “이번 연구는 착수소화물 기반 계면 형성 메커니즘을 규명한 것”이라며 “차세대 수계 금속전지용 전해질 설계의 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.