|
현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도를 갖지만 화재 위험성을 내포하고 있다. 불에 타기 쉬운 유기 전해질을 사용하기 때문이다. 반면 물 기반 전해질을 사용하는 수계 전지는 화재 위험이 낮고 친환경적이다.
수계 전지 가운데 산성 전해질을 사용하는 ‘수계 산성 전지’에서는 음극 소재로 주석이 쓰일 수 있다. 다만 고속 충·방전 시 주석이 전극 표면에 불균일하게 쌓여 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트’ 현상이 단점으로 꼽힌다. 전지의 효율과 수명이 떨어지는 문제가 발생해서다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 주석 음극 표면에 약 12㎛ 두께의 ‘다공성 탄소층(porous carbon layer)’을 적용했다. 이어 다공성 탄소층이 전해질이 내부까지 원활하게 스며들도록 하면서 이온 이동을 원활하게 만들었다. 그 결과 주석 이온은 특정 부위에 집중적으로 쌓이는 대신 탄소층 내부에서 고르게 분산된 나노입자 형태로 성장했다. 이를 통해 높은 전류가 흐르는 조건에서도 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제할 수 있었다.
다공성 탄소층을 적용한 주석 음극은 고전류 조건에서도 높은 안정성을 보였다. 실제 전지처럼 양극과 음극을 결합하자 5만 회 이상 충·방전에도 안정성을 보였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 원천기술국제협력개발사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.
유승호 교수는 “주석의 성장 과정을 실시간으로 관찰하고 산성 전해질에서 형성되는 독특한 계면 환경의 역할을 규명함으로써 고효율·장수명 수계 금속 전지를 위한 새로운 계면 설계 원리를 제시했다”며 “향후 이를 다양한 금속 음극 기반 수계 전지로 확장해 안전한 대규모 에너지저장장치 개발에 기여할 것”이라고 기대했다.
