[M 투데이 이상원기자] 리튬이온배터리를 대체할 수계 아연배터리의 상용화 가능성이 높아졌다.

현재 전기차에 주로 사용되는 리튬이온배터리는 에너지 밀도는 높지만 과열 및 화재 우려가 높은 것이 단점이다.

이 때문에 에너지 밀도가 높으면서도 화재 위험성이 적은 대체 배터리 개발 경쟁이 치열하다.

수계 아연금속 배터리는 바로 이런 높은 에너지 밀도를 유지하면서도 화재 위험성이 거의 없어 리튬이온배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받는다.

수계 아연금속 배터리는 리튬이온배터리와 달리 물을 기반으로 하는 무연물 전해질을 사용하기 때문에 화재 위험성이 극히 낮다.

게다가 아연은 가격이 리튬에 비해 크게 저렴한데다 환경 친화성과 안정성이 높아 상용화될 경우, 전기차용 2차전지에 획기적인 변화가 예상된다.

하지만 이 배터리도 아연 음극 표면의 덴드라이트 성장과 부반응 문제로 수명이 짧다는 게 단점이어서 상용화를 위해서는 배터리 수명 연장이 필수 해결 과제였다.

경희대 웨어러블융합전자연구소 유재수교수 연구팀이 최근 2차원 신물질인 맥신을 사용해 아연 음극의 덴드라이트 성장을 억제하는 데 성공했다.

유재수교수 연구팀은 중국 상뤄대학교(Shangluo University) 리 강(Li Kang) 연구팀과 공동연구를 통해 수계 아연금속 전지의 상용화 전략을 제시했다.

연구팀은 맥신을 사용해 아연 음극 표면에 다기능 계면층을 형성시켰다. 맥신은 금속 카바이드와 나노시트로 활용되는 2차원 물질로, 다기능 계면층을 형성시키는 데 중요한 역할을 한다.

생성된 계면층은 아연 이온 전달성을 높이고 에너지 장벽을 낮춘다. 이를 통해 부반응과 덴드라이트 성장이 억제된다.

특히, 맥신이 풍부한 계면층에는 전극 전해질 표면에 균일한 아연 이온 플러스가 생성되는 등 다양한 기능과 시너지 효과가 나타난다.

연구 결과, 맥신 증착 아연계면층은 5.0 mAh cm-2의 용량과 5.0 mA cm-2의 전류 밀도에서 800시간 이상의 긴 사이클 수명을, 10.0 mAh cm-2의 용량과 10.0 mA cm-2의 전류 밀도에서도 320시간 이상 덴드라이트가 없는 아연 증착이 이뤄졌다.

연구팀이 제안한 방식으로 제조된 수계 아연금속 배터리는 기존에 발표된 수계 아연금속 배터에 비해 훨씬 나은 사이클링 안정성과 우수한 속도 성능을 기록했다. 또, 수계 아연금속 배터리 재충전 가능성도 제시했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 저명 학술지인 ‘Energy Storage Materials(IF=20.4)’ 9월호에 게재됐다.

유재수 교수는 “긴 수명과 안정성을 가진 이차전지의 수요가 늘어남에 따라 미래 유망산업에서 다방면으로 활용될 것”이라며 “향후 연구에서 정교한 계면층 설계를 통해 아연 음극 표면의 부반응과 덴드라이트 성장을 더욱 억제해 값싸고 더욱 긴 수명을 갖는 아연 기반 수계 전지 구현 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.