[로이슈 전여송 기자] 국내 연구진이 고안전성·저비용으로 주목받는 차세대 이차전지인 수계배터리의 원천기술인 기능성 전해질 첨가제를 개발했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 박호석·조새벽 교수 연구팀이 입체이성질체 전해질 첨가제를 설계하고, 이를 이용한 고용량·장수명 수계배터리용 기능성 전해질 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

재단에 따르면 이차전지란 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 모아 두었다가 필요한 때에 전기로 재생하는 장치로, 리튬이온전지, 납축전지, 니켈-카드뮴전지 등이 있다. 수계 배터리란 물 기반(수용액)의 전해질을 사용해 폭발 위험성이 낮은 차세대 이차전지를 뜻한다.

입체이성질체란 분자의 원자 배열은 같지만, 공간적인 배열이 달라서 서로 다른 물질처럼 작용하는 화합물이다.

최근 데이터센터와 에너지저장시스템(ESS) 등 대형제품에 적용 가능한 고용량·고안전성·저비용 배터리 연구가 활발하다. 특히 비리튬계 금속 아연은 높은 용량과 풍부한 매장량, 물 기반 전해액에서 증착 가능한 특성으로 수계배터리의 음극 소재로 주목받고 있다.

하지만, 아연 음극은 불균일 증착, 금속 부식, 수소 발생에 의한 전지 팽창 문제 등으로 효율이 떨어지고 충방전 사이클 회수가 제한되는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 아연 음극의 가역적인 증착 반응을 유도할 수 있는 전해액과 계면 제어 기술 개발이 필요하다.

연구팀은 자연계에 존재하는 입체이성질체의 특성을 이용해 전해액 첨가제 기술을 개발, 수계배터리 아연 음극의 증착 가역성과 수명을 높였다. 가역성이란 물질이 어떤 상태로 변하였다가 다시 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 성질이다.

유기산의 일종인 부텐디산(butenedioic acid)의 입체이성질체인 푸마르산(fumaric acid)과 말레산(maleic acid)의 서로 다른 전자 분포와 공간 배열을 이용해 개발한 다기능성 첨가제는 전해액의 용매화 구조와 계면 특성을 동시에 제어해 99.9% 이상 쿨롱효율과 6000시간 이상 장수명을 달성했다. 쿨롱효율이란 충전용량 대비 방전용량의 비율을 뜻한다.

연구팀은 펨토초 레이저 분광학 등을 이용한 고도분석으로 이성질체에 따른 전해액의 용매화 구조와 탈용매화 과정에서의 동역학도 규명했다.

푸마르산은 계면에서 아연 이온을 전달할 수 있는 채널을 형성해 아연 증착 가역성을 향상시켰다. 아연을 증착한 구리 집전체와 배터리 완전 셀(full cell)을 제작한 실험에서 현재 최고 수준인 100 mAh/g의 고용량과 1000회 이상의 장수명을 달성했다. 또한, 구리 집전체만을 이용한 무음극 기술도 구현해 무음극 완전 셀에서도 270회 수명 안정성을 기록했다.

집전체란 배터리 충·방전 시 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 활물질에서 내보내는 역할을 하는 얇은 막이다. 배터리 완전 셀이란 음극 혹은 양극 쪽에 아연을 무한히 공급하는 반쪽 셀과는 달리, 양극과 음극의 용량 균형을 맞춰 제한된 아연을 공급하는 실제 상용화된 배터리에 가깝게 설계된 셀을 뜻한다.

연구책임자인 박호석 교수는 “이번에 개발한 전해질 첨가제 기술은 다양한 배터리 분야에 적용 가능하고, 기존 공정 인프라와도 호환 가능한 경제적·효율적 접근법으로 의미가 크다”라며, “앞으로 리튬인산철 배터리와 소듐이온배터리 수준으로 수계배터리의 에너지밀도를 높일 수 있는 고전압·고용량 양극 후막 기술과 맞춤형 전해질 기술에 대한 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 사업과 미래유망융합기술파이오니어 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 7월 10일 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr