김동완 교수 연구팀, ‘맹물로 만든 배터리’ 성능 큰 폭으로 높였다... 고성능 ‘수계 이차전지’ 구조체 개발

▲ 김동완 건축사회환경공학부 교수

▲ 김동완 건축사회환경공학부 교수 연구팀이 개발한 '이중 계면 호스트'의 아연금속 증착 원리 (사진 제공=한국연구재단)

한국연구재단(NRF, National Research Foundation of Korea)은 고려대학교 공과대학(학장 이해근) 김동완 건축사회환경공학부 교수 연구팀이 수계 아연금속 이차전지의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 구조체 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

수계 아연금속 이차전지는 폭발과 환경오염 문제가 있는 리튬배터리를 대체할 수 있어 차세대 친환경 배터리 중 하나로 손꼽히고 있다. 수계 아연금속 이차전지는 전해질로 물을 사용하기에 환경오염과 화재위험이 리튬배터리보다 현저히 낮다.

하지만, 전지 내부에서 발생하는 아연금속의 '수지상 성장'은 고질적 문제로 꼽히고 있다. 수지상 성장은 금속 이온이 반응하면서 '나뭇가지' 모양으로 자라나는 현상으로, 배터리 안정성과 효율을 크게 저하시킨다.

김 교수 연구팀은 위와 같은 문제를 해결하고자 수계 이차전지 내에 장착할 '아연금속 이중계면 호스트'를 고안했다. 이중계면 호스트는 수계 이차전지의 아연금속과 전해질을 분리하는 장치로, 연구팀이 개발한 이중계면 호스트는 '기능성 탄소층'과 '아연 산화막'으로 구성된다. 

기능성 탄소층은 아연 친화성과 넓은 비표면적을 가지고 있어, 아연금속을 수지상 성장 없이 균일하게 증착시키는 역할을 한다. 아연 산화막은 탄소와 상반된 친수성 성질을 가지고 있어, 수계 전해질이 탄소층까지 효과적으로 스며들게 만들어 아연금속이 탄소층에 증착되게 한다.

연구팀은 이 이중계면 호스트를 이용해 새로운 수계 아연금속 이차전지를 만들었다. 본 결과물로 성능 테스트를 진행한 결과, 3,000시간 이상 충ㆍ방전이 가능함을 확인했다. 이는 기존에 개발된 수계 아연금속 이차전지 대비 650시간 이상 증가한 수명이며, 추가로 실제 이차전지 사용조건 수준인 1,000회 이상 충ㆍ방전의 가능 여부도 확인했다.

연구팀은 "이번에 개발한 이중계면 호스트 기술은 그동안 수계 아연금속 이차전지의 고질적 문제였던 수지상 성장 등을 해결하는 데 도움이 됐다"라며, "향후 수계 이차전지 상용화에 큰 보탬이 될 것으로 기대한다"라는 소감을 전했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위 에너지 분야 전문 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(AEM, Advanced Energy Materials)'온라인판에 10월 30일 자로 게재됐다.