아연 표면 보호층으로 수계전지 내구성 높였다

광주과학기술원 화학과 김상륜 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원, 이화여자대학교 연구팀과 함께 착수소화물을 이용해 수계 아연 금속전지의 전극 손상을 줄이는 전해질 설계 원리를 규명했다. 전해질의 기본 성질은 거의 바꾸지 않으면서 아연 표면에 수소화물 기반 보호층을 만들어 전극 안정성과 장기 충·방전 성능을 함께 높이는 방식이다.

연구팀은 전해질에 착수소화물인 Zn(B12H12)을 넣고 충·방전 중 나타나는 변화를 분석했다. 물에 녹은 첨가제는 아연 이온과 음전하를 띤 다원자 구조의 착음이온으로 분리됐다. 착음이온은 물이나 주변 이온과 약하게 상호작용해 전해질의 구조, 이온전도도, 점도에는 거의 영향을 주지 않았지만, 충·방전이 시작되자 아연 전극 표면에서 반응해 수소화물 기반 계면층을 형성했다.

이 보호층은 물과 아연의 직접 접촉을 줄여 수소 발생과 아연 산화를 억제하고, 아연이 전극 표면에 고르게 쌓이도록 했다. 수계 아연 금속전지는 물 기반 전해질과 가격이 낮고 저장 용량이 큰 아연을 사용해 안전성과 경제성이 요구되는 대규모 에너지저장장치용 차세대 전지로 주목받아 왔다. 다만 반복 충·방전 과정에서 수소와 산화아연 부산물이 생기고 아연이 불균일하게 축적돼 전극 수명이 짧아지는 문제가 있었다.

X선 광전자 분광법 분석에서는 착수소화물에서 나온 붕소-수소 결합이 첫 충·방전부터 확인됐고 100회 이후에도 남아 있었다. 비행시간 이차이온 질량분석에서도 수소화물 유래 성분이 아연 표면에 집중된 것으로 나타났다. 김 교수가 지도하고 오희정 석박통합과정생이 제1저자로 참여한 연구는 정부와 광주광역시의 관련 사업 지원을 받았으며, 결과는 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 지난달 26일 온라인 게재됐다.