착수소화물 보호층으로 아연전지 수명 늘렸다

광주과학기술원 화학과와 한국에너지기술연구원, 이화여대 공동 연구팀이 착수소화물을 이용해 수계 아연 금속전지의 전극 손상을 줄이는 전해질 설계 원리를 규명했다. 전해질 조성만 바꿔 아연 표면에 보호층을 만들고 전극 안정성과 장기 충·방전 성능을 함께 높인 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 게재됐다.

착수소화물은 물속에서 아연 이온과 착음이온으로 분리된다. 충·방전이 시작되면 착음이온이 기존 전해질에는 영향을 주지 않으면서 아연 표면에 보호층을 형성한다. 이 층은 물과 아연의 직접 접촉을 줄여 수소 발생과 아연 산화를 억제하고, 아연이 전극 표면에 고르게 쌓이도록 했다. X선 광전자 분광법 분석에서는 첫 충·방전부터 나타난 작용이 100회 이후에도 유지됐다.

수계 아연 금속전지는 휘발성과 독성이 있는 유기용매 대신 물 기반 전해질을 쓰며, 가격이 낮고 저장 용량이 큰 아연을 전극으로 활용할 수 있다. 그러나 충·방전을 거듭하면 물과 아연의 반응으로 수소와 산화아연 등의 부산물이 생기고, 아연이 불균일하게 성장해 전극이 손상되는 한계가 있었다. 연구팀은 착수소화물 첨가 전후의 아연 표면과 전해질 변화를 분석해 이 문제를 줄이는 과정을 확인했다.

착수소화물을 넣은 전해질은 대칭전지 실험에서 최대 3000시간 안정적으로 작동했다. 아연-산화바나듐 전지는 5000회 충·방전 뒤에도 초기 용량의 96.55%를 유지했으며 쿨롱 효율은 99.8%를 기록했다. 같은 조건의 기존 전해질 전지는 초기 용량의 46.40%만 남았다. 별도의 표면 코팅이나 복잡한 전극 처리 없이 안정한 계면을 구현했으며, 소형 셀뿐 아니라 파우치셀에서도 안정적인 구동 특성을 확인해 대면적 셀 적용 가능성을 제시했다.