'화재 없는 이차전지' 상용화로 한걸음 더

생산기술연구원-DGIST 공동연구진
수계아연이온전지용 후막 양극 개발
두께 30% 줄고 저장용량 20% 증가

한국생산기술연구원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사가 새로 개발한 후막 양극을 보여주고 있다. 생산기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀과 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이용민 교수팀이 발화 위험성이 없는 수계아연이온전지의 후막 양극기술을 개발해 전기충전 용량 저하문제를 해결했다고 25일 밝혔다.

이 기술개발로 수계아연이온전지 두께는 30% 이상 얇게 만들 수 있게 됐다. 또한 전지 저장용량을 20% 이상 늘렸다.

김찬훈 박사는 "수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과"라며 "에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 에너지저장시스템(ESS)용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획"이라고 말했다.

수계아연이온전지는 물 기반의 전해질을 이용해 발화 위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 하지만 후막 양극을 만들때 용량이 크게 떨어져 상용화의 어려움을 겪어 왔다.

후막 양극은 전자들의 이동 통로 역할을 하는 집전체 위에 전기 에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로, 이차전지의 에너지 밀도 향상에 필수다. 30㎛(마이크로미터) 두께의 양극 4장을 120㎛ 두께의 후막 양극 1장으로 교체할 경우 전지의 두께는 30% 이상 얇아지고 에너지 밀도는 높아진다.

연구진은 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더 '폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)' 대신 친수성이 있는 '설포네이트 PVdF'를 개발해 용량 저하 문제를 해결했다. 제1 저자로 참여한 생기원 청정웰빙연구그룹 이정은 학연협동과정생은 "상용화된 PVdF 바인더를 간단한 개질만으로 친수성을 높여 후막 양극에 적합한 바인더를 개발할 수 있었다"고 말했다.

이 S-PVdF는 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 이온전도도가 10배 가량 높았다. 이온전도도가 높을수록 전지의 출력이 올라간다.

연구진이 개발한 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작하고, DGIST 이용민 교수팀이 물리화학적 특성을 분석한 결과, 기존 PVdF 바인더를 사용했을때보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가했다. 또한 3000번 이상 충전과 방전을 거듭하는 동안에도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타냈다.

이와함께 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.

[e-mail] 김만기 기자