고용량·고안전성·장수명 수계배터리용 전해질 원천기술 확보

국내 연구진이 고안전성과 저비용으로 주목받는 차세대 이차전지, 수계배터리의 기능성 전해질 첨가제 개발에 성공했다.

한국연구재단은 성균관대학교 박호석·조새벽 교수 연구팀이 입체이성질체를 활용한 전해질 첨가제를 설계해, 아연 음극의 증착 효율과 수명 특성을 향상시킨 기능성 전해질을 개발했다고 밝혔다.

수계배터리는 물 기반 전해액을 사용하는 이차전지로, 폭발 위험이 낮아 에너지저장시스템(ESS)과 데이터센터용 대형 제품에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나 아연 음극의 불균일 증착, 금속 부식, 수소 발생 문제로 인해 효율과 사이클 수명에 한계가 있었다.

연구팀은 분자의 공간 배열 차이에 따라 물질 특성이 달라지는 입체이성질체의 특성을 활용해 전해질 첨가제를 개발했다. 부텐디산 계열의 푸마르산과 말레산을 바탕으로 한 다기능성 첨가제는 전해액의 용매화 구조와 계면 특성을 동시에 조절해 99.9% 이상의 쿨롱 효율과 6천 시간 이상의 장수명 특성을 확보했다.

펨토초 레이저 분광학 등 고도 분석을 통해 첨가제의 용매화 구조 및 탈용매화 과정에서의 동역학도 규명했다. 연구진은 푸마르산이 아연 이온 전달 채널을 형성해 증착 가역성을 향상시켰다고 설명했다.

실험에서는 아연을 증착한 구리 집전체와 배터리 완전 셀에서 100mAh/g의 고용량과 1천 회 이상의 사이클 수명을 달성했으며, 무음극 기반 완전 셀에서도 270회의 안정적인 수명 특성을 확인했다.

박호석 교수는 “개발된 전해질 첨가제는 다양한 배터리 분야에 적용 가능하며, 기존 공정과도 호환돼 상용화 가능성이 높다”고 말했다. 또 “앞으로 고전압·고용량 양극 소재와 맞춤형 전해질 개발로 수계배터리의 에너지 밀도를 한층 끌어올릴 계획”이라고 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구 사업 및 미래유망융합기술파이오니어 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 7월 10일자로 게재됐다.