[스마트경제=복현명 기자] 김동완 고려대학교 공과대학 건축사회환경공학부 교수 연구팀이 금속 부식 방지 특화 소재와 친아연성 금속 막을 활용해 친환경 수계 아연 금속 이차전지의 수명, 성능, 아연 활용률을 향상시킬 수 있는 기능성 음극 기능성 층을 개발했다.
이번 연구 결과는 국제 저널인 ‘Advanced Materials’(IF:29.4, 상위 2.3%)와 Advanced Energy Materials’(IF:27.8, 상위 2.6%)에 각각 1월 4일과 2월 2일에 속표지, 겉표지 논문으로 게재됐다.
상용화된 리튬 이차전지의 고질적인 문제점인 고비용, 고위험성을 해결할 수 있는 아연 금속 이차전지는 리튬 대비 경제적인 아연 금속과 유기계 전해질 대신 물을 전해질로 활용함으로써 친환경적이고 안정적인 이차전지 시스템으로 주목받고 있다.
그러나 수계 전해질 환경에서 아연 음극의 연속적인 증착/탈착은 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)과 경쟁적으로 발생해 전해질의 pH를 변화시키고 부도체인 비활성 부산물들을 생성해낸다.
또한 전지의 충/방전 과정시 아연의 불균일한 증착으로 인한 수지상 형성은 부반응을 가속화하, 분리막을 투과해 전지의 성능을 제한하는 악영향을 미친다. 기존 선행 연구들은 아연 금속 음극의 부반응과 불균일한 증착을 동시에 완화하기 위한 복합적인 해결책이 부족했었다.
이번 연구에서는 부반응 억제와 균일한 아연 증착을 동시에 해결하기 위해 ex-situ 방식으로는 경쟁적인 수소 발생 반응 저항성 Zn2SiO4 물질과 이온 채널을 확보할 수 있는 카본 나노튜브의 혼합비를 최적화 후 손쉬운 블레이드 코팅방식을 적용해 아연 금속을 층 하부로 유도할 수 있는 기능성 층을 개발했다.
또한 in-situ 방식으로는 아연 금속의 결정면에 따른 화학적 반응성 차이를 활용해 수소 발생 반응 저항성과 아연 친화성이 높은 주석 금속을 자발적인 이온 교환반응을 통해 3차원 형상의 기능성 주석 금속층을 개발했고 해당 기능성 층은 아연의 수지상과 부반응을 억제할 수 있는 안정적인 아연 결정면으로의 아연 증착을 유도할 수 있었다.
이렇게 개발된 다기능성 층은 높은 아연 가용 용량(Depth of discharge: ~51.24%)과 높은 전류 밀도(20 mA/cm2)에서도 안정적인 아연 금속 음극의 구동을 확인했다.
또한 다양한 실험적 데이터와 계산화학 결과의 유기적인 연결을 통해 이러한 기능성 층의 안정적인 아연 증착과 부반응 억제 거동에 대한 복합 메커니즘을 밝혀냈다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
