화재위험 없는 이차전지 수명을 28배 늘렸다

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 이홍경 교수팀과 한국전기연구원 김병곤 박사팀이 전해액을 물로 사용하는 아연-이산화망간전지의 사용수명을 28배 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 이 기술을 통해 아연-이산화망간전지를 안정성이 중요한 대용량 에너지 저장 시스템(ESS)의 새로운 에너지 저장원으로 활용할 수 있을 것이라고 전망했다.

연구진은 수계 아연-이산화망간전지를 양극과 분리막 사이에 기공성 탄소 지지체를 삽입했다.

이 전지를 테스트한 결과, 충전용량이 g당 278㎃h가 나와 탄소지지체를 사용하지 않은 전지에 비해 15% 향상됐다. 또한 기존 전지는 108번을 사용하면 성능이 떨어졌지만, 연구진이 개발한 전지는 3000번 넘게 충방전을 해도 85.6%의 용량을 유지했다.

연구진은 나노 탄소 소재의 단순한 산 처리와 얇은 지지층의 설계로 확연하게 셀 성능이 향상됐다고 설명했다.

리튬이온전지는 발화성이 높아 안전성이 떨어지며 공정비용이 높지만, 수계 아연-이산화망간전지는 물 기반 전해액을 사용해 안전하며, 가격 절감에 유리하다.

이러한 장점이 있는 반면 수계 아연-이산화망간전지는 기존 리튬이온전지보다 반응이 복잡하다. 이 전지가 충방전때 이산화망간에서 망간이온이 분리되면서 절연체들이 축적된다. 이렇게 되면 충방전 효율이 떨어지고 용량이 줄어들게 된다.

연구진은 이를 방지하기 위해 지지체를 전지의 에너지밀도 손실을 최소화 할 수 있도록 얇은 필름 형태로 만들었다. 또 지지체를 구성하는 탄소 나노분말의 표면을 산처리해 전자전도성 및 이온친화 기능을 동시에 부여하도록 했다.

이홍경 교수는 "수계 아연-이산화망간 전지에서의 양극 구동 원리와 반응 현상을 실험적으로 밝혀냈으며, 이를 기반으로 한 전지 부품 소재 개선을 통해 성능향상을 이끌어냈다는 측면에서 의미가 있다"고 말했다. 또 김병곤 박사는 "산 처리 탄소 지지층 사용한 방법은 경제적이고 효과적인 방법"이라며 "이를 통해 대면적, 대용량 아연-이산화망간 전지의 수명 안정성을 확보 할 수 있다면 차세대 에너지 저장원으로써 ESS용 리튬이온전지를 대체할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야의 국제 학술지 '스몰 메소드(Small Methods)' 2월호 표지논문에 선정됐다.

[e-mail] 김만기 기자