전자공학부 유재수 교수 연구팀, 이중 첨가제 전해질 엔지니어링 전략 개발
충·방전 800회에도 처음 용량의 93% 유지

전자공학부 유재수 교수 연구팀이 중국 양저우대학 연구팀과 공동 연구를 진행해 수계 아연 금속 배터리의 핵심 한계를 극복하는 이중 첨가제 전해질 엔지니어링 전략을 개발했다. 이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 『Nature Communications(IF: 15.7)』에 게재됐다.

화재 위험 없어 차세대 배터리로 주목, 충·방전을 통한 배터리 수명 저하 한계

스마트폰과 전기자동차에 주로 쓰이는 리튬이온 배터리는 불이 붙을 수 있는 유기 전해질을 사용하기 때문에 화재 위험이 있다. 이에 반해 수계 아연 금속 배터리는 물을 기반으로 만들어 안전하고, 원료인 아연도 저렴해 차세대 배터리로 주목받고 있다. 하지만 충전과 방전을 반복할수록 배터리 내부 아연 표면에 뾰족한 결정(덴드라이트)이 생기고, 원하지 않는 화학 반응이 일어나 배터리 수명이 빨리 줄어 상용화에 어려움을 겪고 있다.

유 교수 연구팀은 전해질에 두 가지 첨가제를 조합해 이 문제를 해결했다. 식품·화장품 원료로 쓰이는 천연 아미노산 ‘L-시스테인’과 유기 화합물 ‘메틸 프로피오네이트(이하 MP)’를 함께 넣었다. MP는 전해질 내부의 수소결합 네트워크를 재구성하고 아연 이온과 물 분자 사이의 결합을 약화시켜 아연 이온이 전극 표면에서 더 쉽게 탈용매화 되도록 도와주고, L-시스테인은 아연 표면에 우선 흡착해 질화아연, 황화아연, 산화아연 등 무기 성분이 풍부한 보호층을 형성해 부반응과 덴드라이트 성장을 억제한다.

이중 첨가제로 배터리 수명 지켜, 차세대 배터리 상용화 기대

결과는 확실했다. 아연 대칭 셀은 3,000시간 넘게 안정적으로 작동했으며, 아연-아이오딘 파우치 셀은 800번 충·방전 후에도 초기 용량의 93.1%를 유지했다. 또한 구부리거나 바늘로 찌르거나 잘라내는 극한 상황에서도 정상 작동해, 웨어러블 기기 같은 다양한 환경에서 쓸 수 있음을 입증했다.

유 교수는 “이번에 개발한 첨가제 선별 방법은 다양한 수계 배터리 개발에 폭넓게 활용할 수 있을 것”이라며 “안전하면서도 오래 쓸 수 있는 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가섰다”고 밝혔다. 이번 연구는 이공분야 대학 중점 연구소 사업의 지원을 받아 수행됐다.