최근 대형 에너지저장장치(ESS)의 중요성이 커지면서 안전성과 경제성을 갖춘 수계 아연금속전지가 차세대 이차전지로 주목받고 있다.
이런 상황에서 광주과학기술원(GIST) 화학과, 한국에너지기술연구원, 이화여대 공동 연구팀은 수소를 포함한 복합 구조 물질인 착수소화물을 활용해 ‘수계(水系) 아연 금속전지’의 전극 손상을 억제하고 수명을 높일 수 있는 새로운 전해질 설계 원리를 규명했다고 11일 밝혔다. 이를 통해 전극 안정성과 장기 충·방전 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 전해질 설계 전략을 세울 수 있게 됐다. 이 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 실렸다.
수계 아연 금속전지는 휘발성과 독성이 있는 유기용매 대신 물을 기반으로 한 전해질을 사용해 안전성을 높였으며 가격이 저렴하고 저장 용량이 큰 아연을 전극으로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 문제는 충·방전을 반복하면 물과 아연이 반응해 수소가 발생하고 산화아연 같은 부산물이 발생하는가 하면 아연이 전극 표면에 불균일하게 쌓이면서 전극이 손상돼 장기간 사용이 어렵다는 점이다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 수계 아연 금속전지 전해질에 착수소화물을 첨가하고 충·방전 과정에서 아연 금속 표면과 전해질에서 일어나는 변화를 분석했다. 착수소화물이 물에 녹으면 아연 이온과 착음이온으로 나뉜다. 착음이온은 중심 원자에 여러 개의 분자나 이온이 붙은 음전하를 띤 다원자 이온 구조 물질로 물이나 주변 이온과 약하게 상호작용하지만 기존 전해질에는 영향을 미치지 않는다.
연구팀에 따르면 충·방전이 시작되면 착음이온은 전해질은 그대로 유지하면서 아연 표면에만 보호층을 형성한다. 보호층은 물과 아연의 직접 반응을 줄여 전극 손상을 일으키는 수소 발생 반응과 아연 산화를 억제하고 아연이 전극 표면에 균일하게 쌓이도록 했다. 연구팀은 물질의 화학적 결합 상태를 분석하는 ‘X선 광전자 분광법’(XPS)로 분석한 결과 착수소화물이 첫 충·방전 과정부터 작용해 100회 충·방전 이후에도 유지되는 것이 관찰됐다.
전기화학 실험 결과에서도 착수소화물을 첨가한 전해질은 수소 발생과 불균일한 아연 성장을 억제했고 아연 전극 안정성을 평가하는 대칭전지 실험에서도 최대 3000시간 동안 안정적으로 작동했다. 아연-산화바나듐 배터리에서도 5000회 충·방전 후 초기 용량의 96.55%를 유지하고 쿨롱 효율도 99.8%F를 기록했다. 쿨롱 효율은 100%에 가까울수록 충·방전 과정 손실이 적다는 의미다. 반면 같은 조건에서 실험한 기존 전해질 전지는 초기 용량의 46.40%만 유지한 것이 확인됐다.
김상륜 GIST 화학과 교수는 “이번 연구는 별도의 표면 코팅이나 복잡한 전극 처리 공정 없이 전해질 조성 설계만으로 안정한 계면을 형성할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “실험실 수준의 소형 셀을 넘어 파우치셀에서도 안정적인 구동 특성을 확인한 만큼 대면적 셀에서 적용 가능성도 확인했다”고 말했다.
