개발된 기능성 탄소 호스트와 친수성 아연 산화막으로 구성된 이중 계면 호스트의 아연금속 증착 메커니즘.[고려대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받는 수계 아연금속 이차전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 구조체가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 고려대학교 김동완 교수 연구팀이 아연금속 이차전지의 성능을 높이고, 수명 절감의 다양한 원인을 해결할 수 있는 이중 계면 호스트를 개발했다고 밝혔다.

이중계면 호스트란 아연금속과 수계 전해질 사이에 아연금속이 수지상이 아닌 균일 증착될 수 있도록 다공성 탄소층과 아연산화물 이중으로 구성된 기능성 계면이다.

리튬금속 전지와 달리 수계 전해질을 사용하는 아연금속 이차전지는 수계 이차전지 중에서도 안정성과 경제성 등에서 높은 이론 용량을 가지는 친환경 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

하지만 아연금속 전지의 음극으로 사용되는 상용 아연금속의 수지상 성장, 낮은 전기화학적 활성 사이트 부재, 수계 전해질과의 부반응 등 고질적인 문제들로 인해 여러 장점에도 불구하고 상용화 단계에 도달하지 못했다.

연구팀은 아연금속 이차전지의 고질적인 문제를 한 번에 해결하기 위해 넓은 비표면적, 아연 친화성, 적절한 전기전도성 등을 충족하면서도 대량합성이 가능한 재료를 탐색하여 기능성 탄소와 아연 산화막 이중 계면의 시너지 작용을 이용한 아연금속 이중 계면 호스트를 개발하는 데 성공했다.

기능성 탄소층은 높은 아연 친화성과 넓은 비표면적을 통해 아연금속을 수지상 성장 없이 균일하게 증착할 수 있고, 탄소의 소수성은 전해질에 의한 부반응을 억제했다.

또한 아연금속의 저온 열처리로부터 형성된 아연 산화막은 탄소와 상반된 친수성 성질로 인해 수계 전해질이 아연 산화막 계면을 따라 탄소층에 스며들게 했고, 이를 통해 소수성인 탄소층 내부까지 아연금속이 효과적으로 증착됨을 확인할 수 있었다.

개발된 이중 계면 호스트는 탄소층과 아연 산화막의 상반된 성질을 상승작용으로 전환해 아연금속의 문제점들을 동시에 해결할 수 있었다.

김동완 교수는 “아직 연구개발 단계에 있는 아연금속 음극의 상용화를 앞당기는데 이바지할 수 있을 것”이라며 “향후 산업화 규모에서도 구현될 수 있는 아연금속 음극 연구의 진행이 지속적으로 필요하다”고 전했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 10월 30일 온라인 게재됐다.