연세대학교 이상영 교수(화공생명공학과) 연구팀은 고려대 곽상규 교수팀 및 독일 카를스루에공과대 Stefano Passerini 교수팀과의 국제공동연구를 통해, 폭발하지 않고 저렴하며 기존 리튬이온전지보다 수명 특성이 3배 이상 향상된 물 기반 아연이온전지를 개발했다. 이번 연구는 대용량 에너지저장장치(ESS)의 수명 특성과 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 특히 전 세계적으로 많은 주목을 받고 있는 아연이온전지의 상용화를 위한 새로운 전해질 설계 원리를 학술적으로 제시했다는 점에서 의의가 있다.

에너지 수요의 폭발적 증가 및 기후 변화 이슈에 대처하기 위해, 미래 환경·에너지 문제를 해소할 수 있는 대용량 에너지저장시스템에 활용 가능한 저렴하고 안전한 차세대 이차전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 시장을 주도하는 리튬이온전지는 소재의 글로벌 수급 불안정 이슈와 높은 제조 비용, 그리고 폭발·화재 등의 안전 문제가 존재해 이를 근본적으로 해결할 차세대 전지 시스템이 필요한 실정이다.

리튬이온전지에 대한 대안으로 아연이온의 전기화학적 저장 메커니즘을 기반으로 하는 아연이온전지가 주목받고 있다. 아연이온전지는 지구상에 풍부하고 저렴한 금속 자원 중 하나인 아연금속을 음극으로 사용하고 폭발 위험이 없는 물을 전해질로 사용하기 때문에 리튬이온전지에 비해 안전성 및 가격 경쟁력이 우수한 전지 시스템이다.

하지만 아연금속 음극은 몇 가지 이유로 상업적 활용에 어려움이 있다. 첫째로, 아연금속 음극이 물 기반 전해질에서 부식되며, 물의 환원성 분해로 인해 수소 기체가 발생해 전지 내 저항이 증가하는 문제가 있다. 둘째로는 충·방전이 진행됨에 따라 아연금속이 뾰족한 수지상(덴드라이트) 형태의 결정으로 성장하면서 효율이 급격히 저하되고 전지 내부 단락이 발생한다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 최근 물과 아연금속의 접촉을 제한하는 표면 개질 또는 아연금속 복합화 방안이 제시됐으나, 복잡한 공정 과정과 비싼 가격으로 인한 제약이 있다. 또한, 물의 반응성을 낮출 수 있는 다양한 전해질 신소재도 연구되고 있으나, 전지 수명 한계에 부딪히며 상용화 수준까지 올라서지 못하고 있다.

이러한 기존 한계를 극복하기 위한 차별화된 시도로써, 연세대 이상영 교수 연구팀은 아연이온전지 맞춤형 이중상(biphasic) 전해질을 개발했다. 서로 다른 두 종류의 전해질이 물과 기름처럼 섞이지 않고 공존하는 것을 이중상 전해질이라고 하는데, 전해질 내 분자 간 상호작용을 조절함으로써 양극과 음극의 작동 환경에 최적화된 이중상 전해질을 구현했다.

본 연구의 이중상 전해질은 아연금속 음극의 부식과 수지상 성장을 효과적으로 억제해 99.6%의 높은 충·방전 효율을 보였고, 동시에 양극의 반응 속도를 향상시켰다. 또한, 전해질 내 빠른 이온 전달을 가능하게 했다. 이를 통해 폭발하지 않고 가격 경쟁력이 우수하면서도 기존 리튬이온전지보다 3배 가량 우수한 수명 특성을 갖는 전지를 구현해 아연이온전지의 실질적인 상업화 가능성을 선보였다.

연세대 이상영 교수는 “이번 연구는 글로벌 원자재 공급망 이슈에서 자유로운 아연 소재 및 물 기반 전해질을 이용해 아연이온전지의 에너지밀도와 수명을 획기적으로 향상시켰을 뿐만 아니라, 전지 성능을 극대화할 수 있는 전해질 설계의 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “향후 높은 안전성이 요구되는 대용량 에너지저장장치 및 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 연세대 화공생명공학과 김원영 박사과정과 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김홍이 석박통합과정, 이경민 석박통합과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술 권위지인 ‘에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF:39.714)’에 11월 1일 게재됐다.
(논문명: Demixing the miscible liquids: Toward biphasic battery electrolytes based on the kosmotropic effect)

이현건 기자 다른기사 보기