화재 걱정 없는 ESS, 수계아연전지 핵심기술 개발
화재 걱정 없는 ESS, 수계아연전지 핵심기술 개발
  • 함예솔
  • 승인 2022.06.08 12:00
  • 조회수 2779
  • 댓글 2
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차세대 수계아연전지용 고밀도 음극제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자) 와 권민형 연구원(우, 제1저자). 출처 : KIST
차세대 수계아연전지용 고밀도 음극제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자) 와 권민형 연구원(우, 제1저자). 출처 : KIST

최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있죠. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적이 있습니다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제입니다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과한데요.

 

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔습니다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있는데요.

 

이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리합니다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능합니다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어납니다.

  

하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지 밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었습니다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이죠. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었습니다. 

기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽뺵하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. 출처 : KIST
기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽뺵하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. 출처 : KIST

이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했습니다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했습니다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있습니다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했는데요. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는데 성공했습니다. 

아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조. 출처 : KIST
아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조. 출처 : KIST

이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식반응이 효과적으로 억제돼 7000회 이상의 반복적인 충방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났습니다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충방전 수명(1000~2000회)을 크게 상회하는 수치입니다.

KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. 출처 : KIST
KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. 출처 : KIST

KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며 “이번 고밀도 아연음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔습니다.

연구결과는 에너지 및 환경과학 분야 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 최신 온라인판에 게재됐습다.

논문명 : Stimulating Cu–Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors

 

#용어설명

1. 전해도금(Electroplating) 공정

 양 전극과 전해액으로 구성된 전지에서 일정 수준 이상의 전압 또는 전류를 인가함으로서 반대편의 금속이 전기화학적으로 이동하여 전도성 소재 표면에 금속층을 형성하는 기술이며, 본 연구에서는 구리 호일과 아연 호일 전극, 그리고 DES 전해액으로 이루어진 전지에서 일정한 전류를 인가하여 구리 호일 표면에 아연층을 입히는 공정이다.

 전해도금 공정은 기존에도 자동차 등의 금속 부품 표면에 내식성, 내마모성을 위한 표면처리 기술로 널리 이용되는 간단한 공정으로 알려져있어 넓은 면적이나 비용 측면에서 매유 유용한 기술로 상용화에 유리하다.

2. 깊은 공융 용매(Deep eutectic solvent, DES)

 이온성 액체(Ionic liquid)와 유사한 물성을 갖는 물질로 음이온과 양이온을 포함한 루이스 또는 브뢴스테드의 산, 염기의 공융 혼합물로부터 형성된 시스템이다. 간단하게 상온에서 고체의 형질을 갖는 두가지 물질을 혼합하면 두 물질의 양이온 및 음이온이 결합하여 복합체가 되며, 이 때 혼합물의 녹는점이 낮아져 상온에서 액체로 존재하게 되는 물질이다. 본 연구에서는 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되며, 대표적인 DES 물질로 알려져 있다.

3. 구리-아연 합금층

 합금(Alloy)은 원소가 섞인 상태로 형성된 결정구조로, 일반적인 구리-아연 합금은 고온에서 적당한 비율로 녹인 뒤 식히면 만들어지며, 대표적으로 구리 65%, 아연 35%로 이루어진 황동(brass)이 있다. 본 연구에서 밝힌 친아연성 구리-아연 합금층은 아연 비율이 높은(79% 이상) 구리-아연 합금층을 나타낸다.


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공돌이 2022-06-08 19:42:12
미인인데 연구까지 잘하면 어떻게 하냐…

이인 2022-06-08 16:24:24
수고 많으셨습니다! 인물도 훤하십니다!

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