⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠

박호석 성균관대 교수. 한국연구재단 제공.

국내 연구진이 차세대 이차전지인 수계배터리의 원천기술을 개발했다. 수계배터리는 물 기반 전해질을 사용하는 배터리로, 화재 위험이 낮고 친환경적이다. 

한국연구재단은 박호석 성균관대 화학공학·고분자공학부 교수 연구팀이 최고 용량의 수명이 긴 수계배터리 기술 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 분자의 원자 배열은 같지만 공간적인 배열이 달라 서로 다른 물질처럼 작용하는 입체이성질체 전해질 첨가제를 설계했다. 이를 이용한 덕분에 현재까지 고용량의 수계배터리 성능을 확보했다는 설명이다. 

최근 데이터센터와 에너지저장시스템(ESS) 등에 적용 가능한 안전성이 높고 비용이 저렴한 배터리 연구가 활발하다. 특히 리튬이 아닌 금속 아연은 전기를 더 많이 저장할 수 있고 지각에 풍부하게 존재하며, 물 기반 전해질에서도 표면에 잘 달라붙는 성질이 있어 수계배터리의 음극 재료로 주목받고 있다.

하지만 아연의 음극은 금속 부식, 수소 발생 등에 의한 전지 팽창 문제를 일으킨다. 이 때문에 효율이 떨어지고 충전 사이클 회수가 제한됐다. 문제를 해결하려면 아연이 잘 달라붙었다 용해되는 환경을 만들기 위해 전해액과 표면 제어 기술이 필요하다. 

연구팀은 자연에 존재하는 입성이성질체라는 분자의 특성을 활용해 새로운 전해액 첨가제를 개발했다. 이 첨가제는 산성을 띠는 유기산의 일종인 부텐디산(butenedioicacid)의 입체이성질체인 푸마르산(fumaric acid)과 말레산(maleic acid) 물질을 사용해 개발됐다.

푸마르산과 말레산은 같은 원소로 이뤄져 있지만 전자분포와 모양이 달라서 독특한 효과를 낸다. 새로 개발된 첨가제는 전해액 안의 분자 구조와 아연 표면의 반응 환경을 동시에 조절해 99.9% 이상의 쿨롱효율(충전용량 대비 방전용량의 비율)과 6000시간 이상의 수명을 달성했다. 배터리를 더 오래, 더 안정적으로 쓸 수 있는 방법을 찾아낸 것이다.

또 계산화학, 2차원 상관관계 분광학, 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 분광학 등의 고도분석을 통해 이성질체에 따른 전해액의 용매화 구조와 탈용매화 과정에서의 동역학도 규명했다. 용매는 다른 물질을 녹이는 액체를 말한다. 가장 흔한 예로 물이 용매이고, 소금이나 설탕이 용질이다. 용매화는 물질이 용매에 녹아들면서 용매 분자에 둘러싸이는 과정을 일컫는다. 반대로 용매 분자가 떨어져 나가며 물질이 자유로워지는 과정이 탈용매화다. 

이를 통해 푸마르산이 배터리 안에서 아연이 더 잘 이동할 수 있도록 길을 만들어주는 방식을 찾아냈다. 아연을 구리 위에 얇게 입혀 만든 전지와 배터리 등을 실험한 결과에서도 매우 높은 저장 용량과 1000회 이상 사용할 수 있는 긴 수명을 달성했다. 아예 금속을 쓰지 않고 구리만 사용하는 무(無)음극 배터리 기술도 성공적으로 구현했다. 

연구책임자인 박 교수는 "이번에 개발한 전해질 첨가제 기술은 다양한 배터리 분야에 적용 가능하고, 기존 공정 인프라와도 호환이 가능하다"며 "앞으로 수계배터리 에너지 밀도를 높일 수 있는 연구를 지속하겠다'고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10일 게재됐다. 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]

Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.