[월드투데이 최인호 기자]  미래 에너지산업에서 주목받는 핵심 기술인 이차전지는 초기에는 주로 소형 모바일 기기에 사용되었으나, 최근에는 전기자동차 및 에너지저장시스템(ESS) 등과 같은 중대형 기기에도 적용되고 있다. 그러나 리튬이온전지 기반의 ESS에서 화재 사고가 빈번하게 발생하면서 안전성에 대한 논란이 증가하고 있다.

리튬이온전지의 폭발 위험성과 원재료 수급 불안정 등의 이슈가 대두되면서 상용 리튬이온전지를 대체할 만한 안전하면서도 경제적인 차세대 에너지저장시스템으로 수계아연전지가 주목받고 있다.

수계아연전지는 인화성 물질인 유기용매 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 비교했을 때, 물을 전해질의 용매로 사용하여 안전성이 매우 높고 원재료의 가격은 리튬의 16분의 1에 불과하여 안전성과 경제성 등에서도 우수한 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

그러나 아연이온전지 또한 흔히 금속 음극을 사용하는 여타 전지와 같이, 날카로운 수지상 결정이 형성되는 문제를 공유한다. 이러한 아연 수지상이 성장하면 충·방전이 진행됨에 따라 분리막을 관통하여 전지 단락(short-circuit)이 발생할 수 있고 이로 인해 전지 수명이 짧아지게 된다.

세종대학교 나노신소재공학과 명승택 교수팀은 이러한 기존 한계를 극복하기 위해 수명특성을 대폭 향상시킨 수계아연이온전지용 아연 금속 음극을 개발하였다. 해당 연구에서는 단위 면적 (cm2) 당 2.96원에 해당하는 수 나노미터 두께의 금 코팅층을 균일하게 적용하였고, 금의 아연 친화적인 특성으로 인해 수지상 결정의 형성을 억제하는 메커니즘을 규명했다.

첫 아연의 증착(deposition)에서 아연과 금의 합금이 이루어지며, 이는 전극 표면에 균일한 전기장을 분포를 유도하여 결과적으로 나노 두께를 가진 금 코팅층 속에 아연입자가 지속적으로 균일하게 증착되어 높은 전류밀도에서도 10,000사이클이 넘는 우수한 수명 특성을 보임을 확인하였다. 또한 이러한 금 코팅층에 균일하게 증착되는 현상을 '포섭 효과(embracing effect)’ 라 명명하였다.

본 연구에서 사용된 아연 및 금 소재는 거의 100% 리사이클이 가능하며, 물 기반 수계 전해질을 사용하는 점에 있어서 환경친화적이다. 또한 폭발 가능성을 억제하고 가격 경쟁력이 우수하면서도 개선된 수명 특성을 갖는 완전지(full cell)를 구현하였다. 해당 연구는 나노 및 소재기술개발사업(국가핵심소재연구단) 지원을 받아 수행되었고 국제 SCI급 저널인 Advanced Materials(IF: 29.4)에 게재되었다.