최근 발생한 카카오 ‘먹통’ 사태의 원인이 데이터센터 내 배터리에서 발생한 화재로 알려지면서 배터리 안전에 대한 관심이 증폭되고 있다. 이런 가운데 울산대 연구진이 화재·폭발 위험은 줄이고 수명을 크게 향상시키는 기술을 개발했다.

울산대학교는 화학공학부 최원묵(46)교수와 황해길 박사 연구팀이 호주 애들레이드 대학 지안펭 마오(Jianfeng Mao) 교수, 중국 상해공정기술대학 핀화 라오(Pinhua Rao) 교수와 공동연구로 차세대 수계아연 이차전지의 수명을 향상시키는 전해질 첨가제를 개발했다고 20일 밝혔다.

울산대학교 화학공학부 최원묵 교수

현재 대표적인 에너지 저장장치인 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 우수한 수명으로 많이 사용되고 있지만, 리튬 원료의 제한된 매장량과 높은 가격, 유기전해액과 리튬계 소재의 폭발 위험성이 문제로 지적되고 있다.

이 때문에 물을 기반으로 한 전해질을 사용해 화재 위험성이 적고 풍부한 저장량으로 ‘수계아연 이차전지’가 차세대 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다.

그러나 수계야연 이차전지는 물을 기반으로 하는 특성상 아연 전극의 부식, 전극 표면에 아연 이온이 나뭇가지 형태의 불균일한 결정인 ‘덴드라이트(Dendrite)’가 형성돼 전지 수명이 떨어지는 한계점이 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 아연 전극 표면에 덴드라이트 형성을 억제하는 수계 전해질 첨가제를 개발했다. 황산아연 수계 전해질에 산업용 용매인 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone·GBL)을 첨가한 것이다.

시뮬레이션 결과, 감마부티로락톤이 아연 전극에 균일하게 흡착돼 ‘아연이온-물분자-황산이온-감마부티로락톤’ 형태의 결합을 이뤘고, 덴드라이트의 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

전지의 성능도 향상됐다. 연구팀이 개발한 전해질을 사용한 수계아연 이차전지는 전지용량이 향상됐고, 400회 충전-방전을 하고도 초기 용량의 87%를 유지하는 우수한 성능을 보였다.

최 교수는 “이번 연구의 핵심은 1% 정도의 소량 첨가제를 이용해 수계 아연 이차전지 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지화학 분야 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 에너지 메터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 10월 13일자 표지논문으로 소개됐다. 연구 수행은 한국연구재단의 대학중점연구소 사업과 4단계 BK21(두뇌한국 21) 사업의 지원으로 이뤄졌다.

울산=이보람 기자 [e-mail]