아연 표면 보호막으로 수계전지 수명 늘렸다

광주과학기술원 김상륜 화학과 교수팀과 한국에너지기술연구원·이화여자대학교 연구팀이 착수소화물로 수계 아연 금속전지의 전극 손상을 억제하는 전해질 설계 원리를 규명했다. 전해질의 주요 특성은 거의 바꾸지 않으면서 충·방전이 진행되는 아연 표면에만 보호층을 형성해 전지 수명과 안정성을 높이는 방식이다.

연구진은 전해질에 착수소화물 Zn(B₁₂H₁₂)을 넣고 아연 표면과 전해질의 변화를 분석했다. 물에 녹은 물질은 아연 이온과 착음이온으로 분리됐으며, 착음이온은 이온전도도와 점도 등에는 별다른 변화를 주지 않았다. 충·방전이 시작되자 아연 표면에서 반응해 수소화물 기반 계면층을 만들었고, 물과 아연의 직접 접촉과 수소 발생, 아연 산화를 줄이는 동시에 아연이 고르게 쌓이도록 했다.

수계 아연 금속전지는 휘발성과 독성이 있는 유기용매 대신 물 기반 전해질을 사용하고, 가격이 낮으면서 저장 용량이 큰 아연을 전극으로 활용해 대규모 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받는다. 그러나 반복 충·방전 과정에서 수소와 산화아연 등 부산물이 생기고 아연이 불균일하게 축적돼 전극이 손상되는 문제가 장기 사용을 가로막아 왔다.

X선 광전자 분광법과 비행시간 이차이온 질량분석 결과, 착수소화물에서 나온 붕소-수소 결합은 첫 충·방전부터 아연 표면에서 검출됐고 100회 이후에도 유지됐다. 수소화물 유래 성분도 표면에 집중적으로 분포했다. 첨가 전해질을 적용한 대칭전지는 최대 3000시간 안정적으로 작동했으며, 아연-산화바나듐 전지는 5000회 충·방전 뒤 초기 용량의 96.55%와 99.8%의 쿨롱 효율을 기록했다. 기존 전해질 전지의 용량 유지율은 같은 조건에서 46.40%였다.