생기원, 수계아연이차전지의 음극 표면 안정화 기술개발로 수명문제 해결
간편한 코팅 공정만으로 대면적 아연 음극에 보호막 형성, 양산 가능성↑
□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 차세대 이차전지로 떠오르고 있는 수계아연이차전지의 음극 표면 안정화 기술을 개발하여 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 배터리 수명저하 문제를 해결하는 데 성공했다.
□ 최근 정부의 그린뉴딜 정책 추진으로 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 발전설비가 매년 10% 이상 급증하면서 탄소중립 사회로 빠르게 나아가고 있다.
ㅇ 그런데 재생에너지는 기후 상황에 따라 전력발생량이 수시로 변동되므로, 안정적인 전력 공급을 위해서는 그 출력을 제어하고 잉여전력을 저장해주는 ‘에너지저장장치(Energy storage system, 이하 ESS)’가 필수적이다.
ㅇ 현재 국내에 설치된 ESS에서는 대부분 리튬이온전지를 쓰고 있는데, 최근 4년간 ESS 화재사고가 수십 건 가량 끊임없이 발생해 이차전지에 대한 안전성 논란이 불거진 상황이다.
□ 반면, ‘수계아연이차전지’는 물 기반 전해질을 사용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성도 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다.
ㅇ 또한 고온 열처리 없이 양극재의 합성이 가능하며, 드라이룸(Dry room)이 아닌 일반 대기 중에서 전지를 조립할 수 있어 공정상의 이점도 크다.
ㅇ 하지만 아연 금속을 음극으로 사용하기 때문에 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나게 되고, 특히 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체로 뾰족하게 쌓이기 쉽다는 문제점이 있었다.
ㅇ ‘덴드라이트(Dendrite)’라고 불리는 이 결정체는 충방전 반응에 거의 참여하지 않고 계속 성장하는데, 분리막*을 뚫고 양극에 맞닿게 될 경우 결국 단락을 일으켜 전지 수명을 급격히 저하시키고 화재를 유발한다.
* 양극과 음극의 물리적인 접촉을 차단하는 미세 기공을 갖는 필름
□ 생기원 제주본부 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사 연구팀은 아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 덴드라이트 형성이 억제되고 그 형태도 달라지는 것을 전자현미경을 통해 세계 최초로 관찰해냈다.
ㅇ 즉, 아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 ‘친수성’ 상태일수록 배터리 충전 시 아연 이온이 음극 표면에 더욱 균일하게 흡착돼 덴드라이트 형성이 억제된다는 사실을 밝혀낸 것이다.
ㅇ 반대로 ‘소수성’ 상태의 음극 표면인 경우, 그 성질이 비교적 덜한 곳으로 아연 이온 분포가 집중되어 구(球) 형태를 띤 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 덴드라이트가 군데군데 생성되는 것도 포착했다.
□ 나아가, 연구팀은 간편한 ‘딥 코팅(Dip-Coating)’ 공정을 통해 500 나노미터(㎚) 두께의 얇은 친수성 보호막을 음극 표면에 고르게 형성하여 덴드라이트 형성과 부식 반응을 효과적으로 억제하는 데에도 성공했다.
ㅇ ‘딥 코팅’ 공정이란 음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 형성하는 방법으로, 연속 공정에 유리하다는 장점이 있다.
ㅇ 이 방식으로 음극 보호막을 형성한 결과, 약 3,000회에 달하는 가혹한 충방전 반복실험에서도 용량유지율 93%라는 안정적인 수명 특성을 보여줬다. 또한 충전전력이 자연적으로 소모되는 비율인 ‘자기 방전율’역시 코팅되지 않은 음극 대비 2배 이상 억제되는 효과도 있었다.
ㅇ 무엇보다도, 아연 음극 보호에 관한 기존 연구들이 손톱 크기의 코인셀(Coin-cell)을 대상으로 한 실험실 수준에 머물렀다면, 이번 연구는 이보다 150배 이상 큰 대면적(176㎠) 아연 음극에서도 간편한 공정만으로 보호막을 형성해내 양산 가능성을 입증했다는 점에서 차별화됐다.
□ 김찬훈 박사는 “제주도는 재생에너지 과잉발전으로 인한 출력제어 문제*가 국내에서 제일 먼저 발생해 화재 위험 없는 차세대 ESS 도입이 가장 시급한 곳”이라며, “이번 연구로 수계아연전지의 기술적 난제를 해결하고 상용화 가능성까지 높여 제주형 ESS 조기 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
* 전력망에 수요 이상의 전력이 과다 공급될 때, 전력망의 보호를 위해 발전설비의 출력을 제한하는 것
ㅇ 향후 연구팀은 이번 기초 연구성과를 더욱 발전시켜 수계아연전지 상용화에 추가적으로 요구되는 에너지밀도 향상 및 운용온도 범위 확장 기술개발에 주력한다는 계획이다.
ㅇ 한편, 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 우수신진연구사업(2020 ~ 2023)의 지원을 받았고, 관련 논문이 지난 9월 10일(금) 에너지 분야의 국제학술지 ‘ACS Energy Letters(IF=23.101)’ 온라인 판*에 게재됐다.
