유연한 섬유형태로도 제작 가능....안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작
한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 11일 밝혔다.
이 전지는 신체에 착용해도 안전할 뿐 아니라 섬유형태로 제조가 가능해 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 것으로 기대된다.
아연 이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다.
하지만 기존 아연 이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있다. 또 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다.
KIST 연구팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가 차단하는 싸이클 양극산화공법을 개발, 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공했다.
연구팀은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다.
싸이클 양극산화공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다.
이 같은 두께편차는 아연 금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다.
덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속막이 자라게 하는 이 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
또, 표면에 형성된 산화아연막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다는 것.
연구팀이 개발한 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지했다는 것이다.
연구팀은 이 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조했다.
이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다고 소개했다.
이중기 KIST 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존 리튬이온배터리가 인체와 접촉했을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다”며 “동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다”고 말했다.
그는 또 “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다”고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 재료과학분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ 최신 호에 게재됐다.