고려대·전남대, 고성능 차세대 아연 수계 전지 개발

(고려대)

고려대 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 김미현 고려대 석박사통합과정)과 전남대 공과대학 이지은 교수 연구팀(제1저자: 김효식 학사졸업생)은 육각 튜브 모양의 텔루륨 나노입자를 아연 수계 전지의 양극으로 활용해 고성능 차세대 전지 시스템을 위한 새로운 모델을 제시했다고 31일 밝혔다.

연구 성과는 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal'에 포함됐다. 연구진은 간단하고 저렴한 합성 기법을 통해 텔루륨 나노입자를 합성했다. 이를 양극 소재로 아연 수계 전지를 제작하고 전기화학 분석을 진행했다. 이를 통해 높은 율속 특성과 장기 사이클 성능을 확인했다.

리튬이온전지는 리튬의 높은 가격 및 제한된 지각 내 매장량과 가연성 유기용매 전해질에 의한 화재 위험성 등의 문제를 갖고 있다. 특히 발화가 발생할 경우 연쇄적인 발열반응으로 이어져 진압이 매우 어렵기 때문에 최근 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지에 대한 관심이 증가하고 있다.

아연 수계 전지의 경우 물을 전해질로 이용하여 우수한 안정성과 친환경적인 특성을 보이며 아연의 풍부한 매장량으로 높은 가격 경쟁력으로 갖는 신재생 에너지 기술이다. 그러나 현재 아연 수계 전지 시스템에서 보고된 양극 소재의 경우, 용량이 낮다는 한계가 있고 이를 극복하기 위해 고용량 양극 소재를 위한 연구 개발이 진행됐다.

아연 수계 전지는 주로 망간 산화물이나 바나듐 산화물과 같은 전이금속 산화물을 양극 소재로 이용하나 이온 삽입 기반의 전기화학 반응에 의해 용량이 낮은 문제가 존재한다. 최근 이를 해결하기 위한 전략 중 하나로 전환 반응을 기반으로 하는 칼코겐 원소를 이용한 고용량 아연 수계 전지용 양극 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.

특히 텔루륨 원소의 경우 황과 비등한 부피당 용량을 보이며 비금속 원소 중 가장 높은 전기 전도성을 띄는 큰 장점을 갖고 있다. 그러나, 충방전 과정에서 발생하는 큰 부피 변화로 인한 구조 불안정과 이로 인한 사이클 안정성 저하 등의 해결해야 할 과제들이 존재한다.

유승호 교수 연구팀은 육각 튜브 모양의 텔루륨 1D 나노입자를 아연 수계 전지의 양극으로 활용하여 부피 변화를 완화하고 장기 사이클 성능을 확보하는 연구 결과를 발표했다. 연구진은 간단하고 저렴한 합성 기법을 통하여 [001] 방향으로 성장한 텔루륨 나노입자를 합성했으며, 이를 양극 소재로 아연 수계 전지를 제작하고 전기화학 분석을 진행하여 높은 율속 특성과 장기 사이클 성능을 확인했다.

또한, 고율속·고성능 특성을 Te (100) 면으로 아연 이온이 빠르게 확산한다는 계산화학 결과를 통해 뒷받침했고, SEM 및 TEM 이미지를 통해 장기 사이클 후 손상 없는 텔루륨 나노입자를 보이며 높은 구조 안정성을 밝혔다. 뿐만 아니라 엑스선을 활용한 XRD 및 XPS 분석을 통해 아연 수계 전지 내의 텔루륨의 반응 기작도 밝혔다.

유 교수는 "이번 연구를 통해 육각 튜브 모양의 텔루륨 나노입자는 고용량을 확보할 수 있을 뿐 아니라 장기 안정성·고율속을 특성을 갖는 우수한 수계 아연 전지용 양극 소재임을 보여줬다"며 "새로운 텔루륨 나노 양극 소재를 통해 기존 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 아연 수계 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.