DGIST 에너지공학과 이홍경 교수팀이 한국생산기술연구원(이하 KITECH) 청정에너지전환그룹 김찬훈 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 이중 층 코팅 방식을 도입해 불안정한 전지 시스템의 안정화 기술을 개발했습니다.
이상적인 전지의 음극 소재로 알려진 리튬 금속은 현재 상용화된 흑연 소재보다 이론용량이 10배 높기 때문에 기존 리튬이차전지의 에너지밀도의 한계를 뛰어넘는 배터리를 구현할 수 있는데요. 그러나 리튬 이온 전지는 과충전이나 과방전 시 화재 및 폭발 위험이 있습니다. 이는 전기차 및 이동형 전자기기에서의 사용에 대한 심각한 제약요소가 되죠. 이같은 이유로, 안전한 대체 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
한편, 수계 아연 전지는 높은 에너지 밀도와 친환경적인 특성으로 인해 에너지 저장 시스템(ESS) 분야에서 큰 관심을 받는데요. 안전한 대체 기술로 주목받고 있으며, 이를 활성화하기 위한 연구가 중요합니다. 그러나 수계 아연 전지는 아직까지 아연 덴드라이트 형성, 수소 발생 반응, 아연 부식 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있죠.
이에 이홍경 교수팀은 수계 아연 전지의 문제점을 해결하고자 고분자와 무기 물질을 동시에 사용하는 이중 층 코팅 기술이라는 새로운 방법을 도입했습니다. 이 과정에서 금속불화물과 고분자 용액을 동시에 아연 금속에 덧대는 방식을 사용합니다. 이로써 금속불화물은 아래층에, 반응하지 않는 고분자층은 위층에 배치되는데요. 상층의 고분자층은 물과 아연 금속의 직접적인 접촉을 차단하여 수소 발생 반응을 최대 3배 이상 억제하고, 아연 금속의 부식도 막을 수 있었습니다. 아래층의 금속불화물 층은 친 아연성 성질을 가지고 있어 아연 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제했습니다.
에너지공학과 이홍경 교수는 “이번 연구는 차세대 전지인 수계 아연 전지의 고질적 문제인 아연 덴드라이트, 수소 발생 반응, 아연 부식 문제를 간단한 이중 층 설계 방식을 통해 혁신적으로 해결한 연구다.”라며, “향후 아연 금속뿐만이 아닌, 금속 음극을 활용하는 다양한 시스템으로의 확장을 기대한다.”고 말했습니다.
연구 결과는 화학 공학 학술지인 'Chemical Engineering Journal'에 2024년 4월 1일 게재됐습니다.
