웨어러블융합전자연구소 유재수 교수 연구팀이 2차원 신물질인 맥신을 사용해 아연 음극의 덴드라이트 성장을 억제하는 전략을 제시했다. 이를 통해 수계 아연 금속 전지의 상용화 가능성을 마련했다. 사진 왼쪽부터 연구 제1저자인 전자정보융합공학과 Wang Tian, 전자공학과 유재수 교수.

웨어러블융합전자연구소 유재수 교수 연구팀
2차원 맥신 사용해 아연 음극의 덴드라이트 성장 억제

웨어러블융합전자연구소 유재수 교수 연구팀(제1저자 전자정보융합공학과 Wang Tian 박사과정생)이 중국의 상뤄대학교(Shangluo University) Li Kang 연구팀과 공동연구를 진행해 수계 아연 금속 전지 상용화를 이끌 전략을 제시했다. 수계 아연 금속 전지는 현재 상용화된 이차전지인 리튬이온배터리를 대체할 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도를 가지지만, 과열 및 화재 위험이 도사리고 있다. 수계 아연 금속 전지는 리튬이온배터리와 달리 물을 기반으로 하는 무연물 전해질을 활용해 화재 위험이 낮다.

아연은 저비용, 환경 친화성, 고유 안정성 등 다양한 장점을 가지고 있다. 또한 수계 아연 금속 전지는 아연과 물을 사용해 환경 오염이 적다. 하지만 수계 아연 금속 전지는 아연 음극 표면의 덴드라이트 성장과 부반응 문제로 수명이 짧다는 어려움을 겪고 있다. 유재수 교수 연구팀은 2차원 신물질인 맥신을 사용해 아연 음극의 덴드라이트 성장을 억제했다.

맥신은 금속 카바이드와 나노시트로 활용되는 2차원 물질로 다기능 계면층을 형성하는 데 중요한 역할을 한다. 연구팀은 맥신을 사용해 아연 음극 표면에 다기능 계면층을 형성했다. 생성된 계면층은 아연 이온 전달을 높이고 에너지 장벽을 낮춘다. 이를 통해 부반응과 덴드라이트 성장이 억제된다. 또한 맥신이 풍부한 계면층에는 전극 전해질 표면에 균일한 아연 이온 플러스가 달성되는 등 다양한 기능과 시너지 효과가 발현됐다. 그 결과 맥신 증착 아연계면층은 5.0 mAh cm^-2의 용량과 5.0 mA cm^-2의 전류 밀도에서 800시간 이상의 긴 사이클 수명을 10.0 mAh cm^-2의 용량과 10.0 mA cm^-2의 전류 밀도에서도 320시간 이상 덴드라이트가 없는 아연 증착을 달성했다.

(a) Ar+ 스퍼터링으로 얻은 다양한 아연 증착 용량을 갖는 계면층에 대한 F 1s의 고해상도 XPS 스펙트럼. (b) 전하밀도차분포 및 전자밀도차맵의 해당 슬라이스. (c) 쿨롱 효율 및 (d) 사이클링 안정성. (e) 아연 이온 농도 분포의 시뮬레이션 결과. (f, g) 다른 전극에서의 아연 증착의 개략도. (h) Galvanostatic 충전/방전 전압 프로파일 및 (i) 아연@맥신//CNTs-VO2 풀셀의 처음 5개 전류-전압 곡선. (j) 아연//CNTs-VO₂ 및 아연@맥신//CNTs-VO₂ 풀셀의 사이클링 성능.

연구팀이 제안한 전략을 활용해 제작한 수계 아연 금속 전지는 기존의 수계 아연 금속 전지에 비해 더 나은 사이클링 안정성과 우수한 속도 성능을 기록했다. 또한 수계 아연 금속 전지 재충전 가능성을 제시해 상용화 토대를 마련했다. 이번 연구는 수계 아연금속 전지의 실제 적용에 대한 새로운 통찰력을 제공해 우수성을 인정받았다. 그 결과 에너지 분야 저명 학술지인 <Energy Storage Materials(IF=20.4)> 9월호에 게재됐다.

유재수 교수는 “긴 수명과 안정성을 가진 이차전지의 수요가 늘어남에 따라 미래 유망산업에서 다방면으로 활용될 것”이라며 “향후 연구에서 정교한 계면층 설계를 통해 아연 음극 표면의 부반응과 덴드라이트 성장을 더욱 억제해 값싸고 더욱 긴 수명을 갖는 아연 기반 수계 전지 구현 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구는 2018년 교육부 이공분야 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 수행됐다.

유재수 교수는 “향후 더욱 긴 수명을 갖는 수계 아연 금속 전지를 구현하기 위해 연구에 매진할 계획”이라며 후속 연구 계획을 밝혔다.

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- 유재수 교수 연구자 정보
- 유재수 교수 연구실

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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