아연 전극 표면에 ‘덴드라이트’ 형성 억제… 화재 위험도 적어

울산대 연구팀이 수계아연 이차전지의 수명을 크게 향상시키는 기술을 개발했다.

울산대는 화재와 폭발 위험성이 있는 리튬 이차전지를 대체한 수계아연 이차전지의 수명을 크게 늘리는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

울산대 화학공학부 최원묵 교수와 황해길 박사 연구팀은 호주 애들레이드대 지안펭 마오 교수, 중국 상해공정기술대 핀화 라오 교수와의 공동 연구로 차세대 수계아연 이차전지의 수명을 높이는 전해질 첨가제를 개발했다.

현재 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 우수한 수명으로 많이 사용되고 있지만, 리튬 원료의 제한된 매장량과 높은 가격, 유기 전해액과 리튬계 소재의 폭발 위험성이 문제다. 이에 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 적고, 저장량도 풍부한 수계아연 이차전지가 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

하지만, 수계아연 이차전지도 물을 기반으로 하는 전해질 특성상 아연 전극의 부식과 함께 전극 표면에 아연 이온이 쌓여 나뭇가지 형태의 불균일한 결정인 ‘덴드라이트’가 형성돼 수명이 떨어지는 한계를 가지고 있다.

이에 공동연구팀은 아연 전극 표면에 덴드라이트 형성을 억제하는 수계 전해질 첨가제를 개발해 전지 수명을 증가시켰다. 방법은 황산아연 수계 전해질에 산업용 용매인 감마부티로락톤을 첨가한 것이다.

시뮬레이션 결과, 감마부티로락톤이 아연 전극에 균일하게 흡착해 ‘아연 이온-물 분자-황산이온-감마부티로락톤’ 형태의 결합을 이뤄 덴드라이트 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

감마부티로락톤을 첨가한 전해질을 사용한 수계아연 이차전지는 전지 용량 향상과 함께 400회 충전과 방전을 해도 초기 용량의 87%를 유지하는 성능을 보였다. 최원묵 교수는 “이번 연구 핵심은 1% 정도 소량 첨가제를 이용해 수계아연 이차전지 수명을 획기적으로 개선할 방법을 제시한 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 에너지화학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 13일 자 표지 논문으로 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 사업과 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.