수계아연이차전지 음극재에 달라붙은 아연 결정. 덴드라이트의 모습. 국내 연구진이 이 결정의 생성을 막아주는 기술을 개발해 아연전지 상용화에 한 걸음 다가가게 됐다. 한국생산기술연구원 제공이차전지의 주력은 리튬이온전지다. 하지만, 발열을 제대로 잡아주지 못해 최근 리튬이온전지가 장착된 자동차에서 화재가 잇따르고 있고 미국의 완성차 회사 GM은 두 차례나 대규모 리콜을 단행하는 등 적지 않은 파장을 일으키고 있다.
리튬이온전지의 발열이 제대로 제어되지 않아 원천적으로 발열문제를 없앤 수계아연이차전지가 이 분야에서 차세대 제품으로 주목받고 있다.
수계아연이차전지는 물(水) 기반 전해질을 사용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성도 높다는 것이 첫 번째 장점이다. 또 다른 장점은 고온 열처리 없이 양극재의 합성이 가능하고 드라이룸이 아닌 일반 대기 중에서 전지를 조립할 수 있다는 점이다. 이 때문에 수계아연전지가 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다.
이런 장점에도 불구하고 리튬이온전지가 여전히 이차전지의 왕좌를 차지하고 있는 이유는 수계아연이차전지는 세계 어떤 나라에서도 상용화에 성공하지 못한 기술이기 때문이다. 이 말은 수계아연전지가 상용화하기 위해서는 개발해야할 기술과 해결해야할 문제들이 한 둘이 아니라는 의미다.
수계아연이차전지가 안고 있는 문제점은 한두 가지가 아니다. 음극재에서는 아연이온이 음극표면에 나뭇가지처럼 쌓여서 양극에 닿아 단락을 일으키는 덴드라이트(dendrite)생성의 문제가 있고 양극재부문에서는 고용량 양극재 제조기술이 부족해 리튬대비 용량이 작다. 아연원자의 무게가 리튬 대비 2배 가량 무거운 데서 발생하는 문제로 인해 전지효율성에서는 2~4배 정도의 차이가 발생하게 된다.
이외에도 많은 기술적 한계들이 있다. 생산기술연구원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사는 15일 CBS와 가진 인터뷰에서 "생산기술연구원이 이번 연구를 통해 덴드라이트 생성을 잡아주는 기술을 개발한 것도 아연전지 상용화를 위한 하나의 진보지만, 수계아연이차전지는 영하의 조건에서 결빙되는 문제가 생기고 고온에서도 문제가 생겨 전지의 효율성에 문제가 발생한다"고 말했다.
이 말은 수계아연이차전지가 상용화되기 위해서는 가야 할 길이 멀다는 의미다.
김찬훈 박사 연구팀이 덴드라이트 생성 문제를 해결한 방법은 음극재에 간편한 '딥 코팅(Dip-Coating)' 공정을 통해 500 나노미터(㎚) 두께의 얇은 친수성 보호막을 음극표면에 고르게 형성시킨 것이다. '딥 코팅' 공정이란 음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 형성하는 방법으로, 연속 공정에 유리하다는 장점이 있다.
이 방식으로 음극 보호막을 형성한 결과, 약 3천 회에 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 억제됐다. 즉 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있게 된 것이다.
특히 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 형성해 양산 가능성을 높였다.
이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 우수신진연구사업(2020 ~ 2023)의 지원을 받았고, 관련 논문이 지난 9월 10일 에너지 분야의 국제학술지 'ACS Energy Letters(IF=23.101)' 온라인 판에 게재됐다.