한양대 김찬훈-에너지공과대 송주현 교수팀, 차세대 수계아연이온전지 상용화 걸림돌 해결 … 수명 단축 원인 '덴드라이트' 억제 기술 개발

한양대학교는 화학공학과 김찬훈 박사(연구교수) 연구팀이 한국에너지공과대 송주현 교수 연구팀과 함께 수계아연이온전지의 최대 기술적 난제인 덴드라이트 형성 문제를 근본적으로 억제하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 수계아연이온전지의 상용화 가능성을 높였다는 평가가 나온다.

수계아연이온전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도는 낮지만, 물 기반 전해질을 사용해 발화 위험이 없고 안전성이 높다. 원재료 비용도 리튬이차전지의 1/3 수준으로 저렴하다. 이 때문에 실내용, 제로에너지건축물용, 데이터센터용 에너지저장장치(ESS)를 위한 이차전지로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 충·방전 반복 시 아연 음극 표면에 발생하는 뾰족한 결정체인 덴드라이트(Dendrite·수지상결정)가 수명 단축과 단락의 원인이 되며 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

공동 연구팀은 덴드라이트 형성의 원인이 아연 음극 표면에서의 아연 이온 농도 불균형에 있다는 점에 착안해 아연 이온만을 선택적으로 통과시키는 기능성 고분자 표면 보호막을 설계했다. 이 보호막은 두께 4마이크로미터(㎛, 1㎛=1m의 100만분의 1)의 초박막 구조임에도 세계 최고 수준의 아연 이온 운반율(0.91)을 확보해 음극 표면에서 균일한 아연 전착을 유도한다. 덴드라이트 없이 안정적인 충·방전을 가능하게 했다.

기존 연구가 아연 활용률과 무관하게 두꺼운 아연 포일을 기반으로 실험한 것과 달리 이번 연구는 14㎛ 초박막 아연 포일에 보호막을 적용해 음극의 실사용 가능성을 높였다. 이 조합은 NP비율(음극/양극 용량비) 3.3의 낮은 조건에서도 5000회 충·방전 후 75%의 용량 유지율을 보이며 우수한 장수명 특성을 입증했다.

연구팀은 80㎠ 규모의 대면적 아연 음극에도 보호막을 균일하게 적용하는 데 성공했다. 대면적 공정에서의 적용 가능성도 확인했다. 해당 음극을 적용한 대형 파우치셀(300 mAh)은 실험실 수준의 코인셀보다 100배 이상 큰 용량을 구현했다. 500회 사이클 후에도 96%의 용량 유지율을 기록했다.

연구팀은 지난 3월 민간기업 ㈜티엔피솔루션에 기술이전을 완료한 상태다. 2019년 설립한 티엔피솔루션은 통신장비 제조를 시작으로 에너지·안전 솔루션 분야로 사업을 확장해 온 전문 기업이다. 올 상반기 수계아연이온전지 양산을 준비 중이다.

김찬훈 박사는 "아연 이온만을 선택적으로 투과할 수 있는 기능성 고분자 표면 보호막이 덴드라이트 발생을 억제하는 데 매우 효과적임을 입증했다"며 "대면적 공정에도 적용 가능한 기술로 설계돼 실질적인 상용화 가능성을 높였다"고 말했다.

이번 연구 논문은 에너지 분야 국제학술지 '첨단 에너지 소재(Advanced Energy Materials)' 6월호에 게재됐다. 김 박사와 송 교수가 교신저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 STEAM 연구사업과 국가과학기술연구회가 주관하는 선행융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.