2024.  1.  9.

‘차세대 수계 아연 이차전지 음극 소재’ 개발

전극 표면 코팅층 적용을 통한 장기 구동 안정성 확보

유승호 교수팀, 고성능 수계 아연 전지 음극 소재 개발, 국제 학술지 'Carbon Energy' 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀 (제1저자: 조범근 고려대 박사과정, 허성호 고려대 석박사통합과정)이 음극 집전체 표면에 탄소나노튜브 코팅층을 적용하는 전략을 활용하여 차세대 아연 전지의 장시간 구동 안정성을 확보하였으며, 향후 새로운 전지 시스템의 연구 방향성을 제시했다.

□ 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 학술지인 ‘카본 에너지 (Carbon Energy)’ (IF=20.5, 출처=Web of Science)에 24년 1월 4일 부로 학술지 홈페이지에 공개됐다.

□ 상용 중인 리튬 이온 전지는 리튬의 높은 가격 및 가연성의 유기계 액체 전해질로 촉발된 화재 위험성 등 단점이 존재한다. 이를 대체할 수 있는 새로운 이차전지 시스템으로 지각에 풍부하게 매장된 아연 및 화재의 위험성이 없는 물을 전해질로써 활용하는 수계 아연 이차전지 시스템이 주목을 받고 있다. 그러나 장기간 구동 시 불균일하게 증착된 아연으로 인해 전극 표면적이 넓어지며 이에 따라 많은 부반응이 발생하는 악순환이 있기에 기존 선행 연구들은 균일한 아연의 증착 달성을 위해 진행됐다.

□ 수계 아연 이차전지 시스템에서 음극은 전지의 충/방전 과정에서 이동하는 아연 이온을 수용/제공하는 역할을 맡고 있다. 특히, 충전 과정에서 양극으로부터 제공된 아연 이온이 음극 표면에서 전자와 만나 아연 금속의 형태로 증착되나, 굴곡진 음극 표면으로 인해 불균일한 아연 이온의 흐름이 발생해 고른 아연의 증착이 이뤄지지 못한다. 아연의 균일한 증착을 위한 전략으로는 다양한 방법들이 존재하나 간편한 공정으로 인해 비용이 저렴하며 산업적으로 적용하기 쉬운 표면 코팅 기법이 크게 주목을 받고 있다. 전도성 탄소 계열 코팅 등 표면에 구조체 형성을 통해 균일한 이온 흐름을 유도하여 균일한 아연 증착 및 장기적인 전지 구동 능력 달성에 기여하는 것으로 알려져 있다.

□ 유승호 교수팀은 전기전도성이 높은 탄소나노튜브를 코팅한 구리 박막을 수계 아연 전지의 음극으로 사용하여 균일한 아연 증착 및 장기 구동 안정성을 확보하는 연구 결과를 발표했다. 연구진은 간단한 블레이드 코팅 기법을 활용하여 구리 박막 표면에 균일한 코팅층을 적용시켰으며, 이를 활용한 전지의 전기화학적 분석을 진행하여 장기 구동 안정성을 확인했다. 또한, 가시광선과 X-ray 등 다양한 빔을 활용한 이미징 기법을 통해 상용 이차전지 수준의 높은 증착용량에서도 균일한 증착 거동을 확인했으며 이를 계산화학 결과와 종합하여 탄소나노튜브 코팅층 아래에서 발생하는 아연 증착의 근거를 제시했다.

□ 유승호 고려대 교수는 “고가의 리튬을 대체할 수 있는 새로운 형태의 전지 개발은 이제 학계를 넘어서 산업계에서도 주목하고 있는 분야다. 이번 연구를 통해 전극 코팅 전략은 수계 아연 전지의 주요 문제인 불균일한 아연 증착을 극복할 수 있는 효과적인 방법임을 보여주었고, 향후 전지 시스템의 전극 설계 전략의 밑거름이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 (02-3290-3297)

커뮤니케이션팀 (02-3290-1063)