가천대, 음이온으로 전해액의 용매화 구조 정밀제어

- 수계 아연 전지의 성능과 안정성 동시 향상 입증

- 차세대 배터리 소재 연구 성과 'Nature Nanotechnology' 게재

왼쪽부터 허지윤교수, Dejian Dong박사, Chunsheng Wang 교수. (자료제공: 가천대)

가천대학교(총장 이길여)는 화공생명배터리공학부 허지윤 교수의 차세대 배터리 소재 연구 성과가 나노과학 분야의 세계적 권위지 ‘Nature Nanotechnology’에 지난 7일 게재됐다고 4월 9일 밝혔다. 이 저널은 나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 가장 권위 있는 학술지 중 하나로, 높은 게재 경쟁률을 자랑한다. 

이번 연구는 수계 아연 전지의 핵심 난제로 꼽혀온 물 분해와 아연 덴드라이트 형성 문제를 동시에 완화할 수 있는 새로운 음이온 설계 전략을 제시한 성과로 평가된다.

논문 제목은 'Aqueous electrolyte solutions with anion-bridged secondary solvation sheaths for highly efficient zinc metal batteries'이며, 허지윤 교수와 Dejian Dong 박사(지도교수: 미국 University of Maryland Chunsheng Wang 교수)가 공동 제1저자로 참여했다.

수계 아연 전지는 높은 안정성, 저렴한 가격, 고전류 구동 가능성 등의 장점을 바탕으로 유망한 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 용매인 물이 좁은 전위창으로 인해 쉽게 분해되고, 아연 금속 전극이 불균일한 전착/용출 거동을 보여 전지의 수명과 효율이 저하되는 한계가 있었다.

연구모식도(수계 전해액을 위한 음이온 설계 가이드라인). (자료제공: 가천대)

이를 해결하기 위해 고농도 전해액이나 공용매 전해액이 제안되어 왔지만, 수계 전해액이 본래 갖는 빠른 이온 이동 특성과 경제성의 장점을 일부 희생해야 한다는 점에서 이상적인 해법으로 보기 어려웠다. 

한편, 음이온 설계를 통해서도 관련 문제를 해결할 수 있지만, 이 경우 음이온은 양이온과 적절히 상호작용하면서도 염의 석출로 이어지지 않도록 용해도 측면에서 정교한 설계가 요구된다.

이에 연구팀은 수계 아연 전지를 위한 새로운 음이온 설계 가이드라인을 제시했다. 다중 상호작용이 가능한 음이온을 설계함으로써, 기존의 1차 용매화 구조 개질에 머물러 있던 전해액 설계 전략을 양이온-음이온-물로 연결된 2차 용매화 구조까지 확장하는 새로운 접근을 구현했다. 

또한 음이온에 불소 원소를 도입하여 분해 시 안정적인 계면층이 형성되도록 유도한 결과, 99.9% 수준의 높은 가역성과 약 130 Wh/kg의 높은 에너지밀도를 갖는 고성능 수계 아연 전지를 구현하는 데 성공했다.

허지윤 교수는 “이번 연구는 음이온을 통해 전해액의 용매화 구조를 정밀하게 제어함으로써 수계 아연 전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있음을 입증한 사례”라며 “저비용·고안전 배터리에 대한 수요가 빠르게 증가하는 가운데 수계 아연 전지가 미래 에너지 저장 장치의 유망한 후보가 될 수 있음을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]