대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이홍경 교수팀은 한국생산기술연구원(KITECH) 청정에너지전환그룹 김찬훈 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 이중 층 코팅 방식을 도입해 불안정한 전지 시스템의 안정화 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

이상적인 전지의 음극 소재로 알려진 리튬 금속은 현재 상용화된 흑연 소재보다 이론용량이 10배 높기 때문에 기존 리튬이차전지의 에너지밀도의 한계를 뛰어넘는 배터리를 구현할 수 있다.

그러나 리튬 이온 전지는 과충전이나 과방전 시 화재 및 폭발 위험이 있다.

이는 전기차 및 이동형 전자기기에서의 사용에 대한 심각한 제약요소가 된다. 이 같은 이유로 안전한 대체 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

수계 아연 전지는 높은 에너지 밀도와 친환경적인 특성으로 인해 에너지 저장 시스템(ESS) 분야에서 큰 관심을 받고 있다.

안전한 대체 기술로 주목받고 있으며 이를 활성화하기 위한 연구가 중요시되고 있다.

그러나 수계 아연 전지는 아직까지 아연 덴드라이트 형성 덴드라이트(충방전 시 금속 리튬이 성장하면서 미세한 선 모양의 덩어리가 형성되는 현상) 형성, 덩어리가 커지면 전지 내부의 화재나 폭발의 원인이 되는 등 안정성 약화, 수소 발생 반응, 아연 부식 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다.

이에 이 교수팀은 수계 아연 전지의 문제점을 해결하고자 고분자와 무기 물질을 동시에 사용하는 이중 층 코팅 기술이라는 새로운 방법을 도입했다.

이 과정에서 금속불화물과 고분자 용액을 동시에 아연 금속에 덧대는 방식을 사용한다. 이로써 금속불화물은 아래층에 반응하지 않는 고분자층은 위층에 배치된다.

상층의 고분자층은 물과 아연 금속의 직접적인 접촉을 차단해 수소 발생 반응을 최대 3배 이상 억제하고 아연 금속의 부식도 막을 수 있다.

아래층의 금속불화물 층은 친 아연성 성질을 가지고 있어 아연 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제할 수 있다.

이 교수는 "이번 연구는 차세대 전지인 수계 아연 전지의 고질적 문제인 아연 덴드라이트, 수소 발생 반응, 아연 부식 문제를 간단한 이중 층 설계 방식을 통해 혁신적으로 해결한 연구"라며 "아연 금속뿐만이 아닌, 금속 음극을 활용하는 다양한 시스템으로의 확장을 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 DGIST 한재웅 석사과정생과 KITECH 이정은 연구원이 공동 제1저자로, KITECH 김찬훈 박사와 DGIST 이홍경 교수가 교신저자로 참여했다.

연구 성과는 세계적 화학 공학 학술지인 Chemical Engineering Journal에 4월1일 게재됐다.

연구는 한국연구재단의 우수 신진 사업, 과학기술정보통신부의 선도 연구 센터(ERC) 및 과기원 공동연합 프로젝트와 Brain Korea 21 Four 사업의 지원을 받아 수행됐다.