폭발 위험 없는 아연금속 배터리 개발…옷도 만든다

아연금속 표면 처리 기술 개발 성공
유연한 섬유 형태로도 제조 가능

KIST 김지영 연구원(제1저자, 박사과정)과 KIST 이중기 책임연구원이 아연 금속의 표면처리 기술을 통해 육각뿔 피라미드 모양의 형상을 형성시킨 표면의 현미경 이미지를 확인하고 있다.

[아시아경제 한진주 기자] 국내 연구진이 폭발 위험이 없는 차세대 아연금속 배터리 개발에 성공했다.

11일 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발·화재 위험이 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유형태로 제조가 가능해 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 활용할 수 있다.

최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성 전해질인데 아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용해 폭발 위험이 없다는 장점이 있다. 아연금속 전극 이차전지는 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 중 하나로 꼽힌다.

기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다.

KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발해 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어하는 데 성공했다.

전극의 표면처리 기술을 통해 안전한 인체 친화형 차세대 아연이온 배터리를 개발한 KIST 연구진. 왼쪽부터 KIST 우주만 기술원, KIST 이중기 책임연구원, 김지영 연구원(박사과정)

연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천 봉쇄했다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이는데, 이번에 개발한 기술은 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 한다. 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지한다.

개발된 아연금속 이차전지는 2분만에 총 용량을 완전충전·방전을 지속해도 1000사이클 동안 100%에 가까운 용량을 유지한다. 연구진은 섬유 형태로 아연금속 이차전지를 제조해 직물로 제작해 옷·가방 형태로도 응용이 가능했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ 최신 호에 게재됐다.

이중기 KIST 책임연구원은 “고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉할 경우 발생하는 잠재적 위험요인을 차단하고 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능을 가졌다"며 "높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것"이라고 말했다.

한진주 기자 truepearl@asiae.co.kr