윤영수 교수팀, '차세대 수계 아연 이차전지 음극용
고성능 3차원 탄소 전극 소재' 개발

국제 학술지 Carbon Energy 게재

▲ 왼쪽부터 윤영수 교수(교신저자), 강동혁 석박사통합과정(제1저자)

융합에너지공학과 윤영수 교수팀은 강원대 화학공학과 임형규 교수팀과 공동연구를 통해, 수계 아연 이차전지용 탄소 음극 소재 표면에서 발생하는 수소발생반응(HER) 및 부산물 형성 억제를 위한 소재 설계 기술을 개발했다.

이번 연구는 국제 저널인 Carbon Energy에 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Critical factors to inhibit water-splitting side reaction in carbon-based electrode materials for zinc metal anodes

금속 아연 음극을 기반으로 한 ‘수계 아연 이차전지’는 물을 기반으로 하여 폭발 및 화재의 위험성이 매우 적으며, 아연의 많은 자원량과 높은 이론 용량(820 mA h g-1 and 5855 mA h cm-3)으로 모바일 전자 기기 및 대규모 에너지 저장 시스템에 적용하기 위한 차세대 전력원으로 주목받고 있다.

하지만 수계 아연 이차전지는 수계전해질을 사용하기 때문에 물 분해로 인한 수소 발생 반응(HER)과 부산물 형성으로 인한 전기화학적 성능 저하의 문제점이 있다. 현재 약산성 전해질을 사용하는 수계전해질 시스템 내에서 강한 부식 저항성을 가지며 넓은 활성 표면을 제공할 수 있는 탄소집전체가 널리 사용되고 있기는 하지만 탄소집전체의 표면·기공 특성에 따라 물 분해 및 부산물 형성반응에 상당한 영향을 주는 현상이 여러 차례 보고되고 있다. 또한, 구체적인 탄소집전체-수계전해질의 상호작용에 대한 이해도가 매우 부족하여 탄소 전극 소재 설계 자체에도 어려움이 있었다.

본 연구에서 탄소 전극 소재의 표면 특성, 미세구조 및 기공구조가 아연 수계 이차전지용 전해질과의 상호작용을 통해 물 분해와 부산물 형성 반응에 미치는 영향에 대해 조직적/체계적으로 조사하였으며, 산소 작용기와 같은 헤테로원소의 물 분해 촉진 효과는 미미한 반면 초미세기공과 물분해의 강한 상호작용을 규명하였다.

그 결과 초미세기공이 최소화된 3차원 탄소 전극 소재를 수계 아연 이차전지용 음극 소재로 활용하여 2,000회 이상의 장기간 충·방전 수명 안정성과 ~99% 이상의 매우 높은 쿨롱 효율을 달성하였다.

[ 그 림 설 명 ]

▲ 초미세기공과 수소 발생 반응 사이의 강한 인과관계를 보여주는 제일 원리계산 데이터

커뮤니케이션팀 전봉준(jbj0522@korea.ac.kr)