허재현·김일태·안용남 교수 팀…“리튬전지 대체 수계 이차전지 연구개발에 활용 가능”

가천대학교는 허재현·김일태·안용남 교수 등 공동연구팀(이가은 연구원, 박찬우 석사과정생)이 폭발 위험이 없는 고성능 수계아연 2차전지 전극물질을 개발했다.

17일 가천대에 따르면 공동연구팀은 수계아연 이차전지의 고질적인 문제로 알려진 충방전 과정에서의 아연 음극 위 덴드라이트 형성(배터리 음극 표면에 생기는 나뭇가지 모양의 결정체)과 수소 기체 발생, 수계 전해질 내부에서의 부식 문제를 해결하기 위해 아연 금속 표면에 티타산칼슘(CaTiO₃) 나노입자들을 코팅했다.

인조피막으로 사용된 티타산칼슘은 강한 내화학성을 가지고 있어 약산성 수계전해질 내부에서 아연 금속의 부식을 억제하고, 강유전성으로 아연 이온의 이동과 확산을 용이하게 해 준다.

충방전 과정에서 무작위적으로 성장하는 아연 덴드라이트 형성을 효과적으로 막아 충방전 수명을 길게 해 줄 뿐만 아니라, 전압창(용매인 물 분해가 일어나지 않는 범위)을 크게 확대해 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

또한, n-type 반도체인 티타산칼슘의 일함수(4.33 eV)는 아연 금속의 일함수(3.78 eV)보다 높아 오믹 접합(두 물질 접합 시 에너지 장벽이 없는 구간)을 형성해 두 물질 간 원활한 전하이동이 가능하다.

연구팀은 이런 현상을 다양한 물리화학 및 전기화학적 분석법을 통하여 입증했다.

실제 티타산칼슘이 코팅된 아연 음극과 바나듐 촉매(V₂O₅) 양극을 이용, 양극과 음극이 모두 포함된 완전셀(Full cell)을 구성해 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 가진 수계아연 이차전지를 구현했다.

연구팀은 “이번 연구결과를 통해 수계 아연 2차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 연구방향을 제시했다”며 “향후 화재 및 폭발 위험이 있는 기존 리튬이온전지를 대체할 수 있는 수계 이차전지 연구개발에 다양하게 활용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 최근 ‘저널 오브 에너지 케미스트리’ 온라인판에 게재됐으며 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터와 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다.