GIST, 수계 아연전지 수명 획기적 향상 전해질 기술 개발

화학과 김상륜 교수 연구팀, 이화여대 연구팀과 공동
'착수소화물' 첨가제로 전극 표면 수소화물 기반 보호층 형성

광주과학기술원(GIST·지스트)은 화학과 김상륜 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원(KIER), 이화여자대학교 연구팀과 공동으로 착수소화물(Complex hydride)을 활용해 '수계(水系) 아연 금속전지'의 전극 손상을 억제하고 수명을 높일 수 있는 새로운 전해질 설계 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

(왼쪽부터) GIST 화학과 김상륜 교수, 오희정 석박통합과정생. GIST 제공

기존에는 함께 해결하기 어려웠던 '전극 안정성'과 '장기 충·방전 성능'을 동시에 높일 수 있는 새로운 전해질(배터리 안에서 이온이 이동하는 액체) 설계 전략을 제시했다.

최근 대규모 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 중요성이 커지면서 안전성과 경제성을 갖춘 '수계 아연 금속전지'가 차세대 이차전지로 주목받고 있다. '수계 아연 금속전지'는 휘발성과 독성이 있는 유기용매(Organic Solvent) 대신 물을 기반으로 한 전해질을 사용해 안전성을 높였으며, 가격이 저렴하고 저장 용량이 큰 아연을 전극으로 활용한다는 장점이 있다. 그러나 충·방전을 반복하면 물과 아연이 반응하면서 수소가 발생하고 산화아연(ZnO) 등 부산물이 생성된다. 이와 함께 아연이 전극 표면에 불균일하게 쌓이면서 전극이 점차 손상돼 장기간 안정적으로 사용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 수계 아연 금속전지의 전해질에 착수소화물을 첨가하고, 충·방전 과정에서 아연 금속 표면과 전해질에서 일어나는 변화를 분석했다. 이번 연구에 사용한 착수소화물(Zn(B12H12))은 물에 녹으면 아연 이온과 착음이온으로 나뉜다. 이 착음이온은 물이나 주변 이온과 약하게 상호작용해 기존 전해질의 구조와 이온전도도, 점도 등 주요 특성을 거의 변화시키지 않았다. 착음이온: 중심 원자에 여러 개의 분자 또는 이온이 붙어 있는 구조로, 음전하를 띤 다원자 이온 구조이다.

반면 충·방전이 시작되면 착음이온은 아연 전극 표면에서 반응하며 '수소화물 기반 보호층(계면층)(hydride-rich interphase)'을 형성했다.

아연 전극 표면에 형성된 수소화물 기반 계면층 분석 결과. GIST 제공

전해질 자체는 그대로 유지하면서도, 충·방전이 일어나는 아연 표면에만 보호층(계면층)이 형성되는 것이다. 이 보호층은 물과 아연의 직접적인 반응을 줄여 전극 손상을 일으키는 수소 발생 반응*과 아연 산화를 억제하고, 아연이 전극 표면에 보다 균일하게 쌓이도록 했다.

연구팀은 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)과 비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS)을 이용해 이러한 '수소화물 기반 계면층'의 형성과 분포를 확인했다. 물질의 화학적 결합 상태를 분석하는 XPS 분석 결과, 착수소화물에서 유래한 붕소-수소 결합이 첫 번째 충·방전 과정부터 아연 표면에서 확인됐으며, 100회 충·방전 이후에도 유지됐다. 이는 착수소화물에서 유래한 '수소화물 기반 계면층'이 안정적으로 형성됐음을 보여준다. 표면 성분의 분포를 분석하는 ToF-SIMS 분석에서는 수소화물 유래 성분이 아연 표면에 집중적으로 분포하는 것을 확인해, '수소화물 기반 계면층'의 형성을 뒷받침했다.

김상륜 교수는 "이번 연구는 수계 전해질에서 착수소화물 기반 계면 형성 메커니즘을 규명함으로써 기존 착수소화물 연구를 수계 전기화학 분야로 확장하고, 차세대 수계 금속전지용 전해질 설계의 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

GIST 화학과 김상륜 교수(에너지융합대학원 겸무)가 지도하고 오희정 석박통합과정생이 제1저자로 수행한 이번 연구는 ▲과학기술사업화진흥원 '차세대 유망 Seed 기술 실용화 패스트트랙' ▲교육부·광주광역시 '지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 사업' ▲산업통상자원부·한국산업기술진흥원 '산업기술혁신사업' ▲과학기술정보통신부·한국연구재단 '우수연구-신진연구(유형B)' 등의 지원을 받았다. 연구 결과는 재료과학 및 화학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 지난달 26일 온라인으로 게재됐다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr