아연-이온 전지 시작품. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀과 한국세라믹기술원(KICET) 지상수 선임연구원팀이 공동으로 연구한 논문이 에너지 분야 세계학술지 '저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)' 최신호(2024)에 게재됐다.

논문 제목은 '에너지 저장 성능 향상을 위한 텔루륨 나노벨트 보호층을 사용한 아연-이온 전지의 음극 표면 엔지니어링(Anode surface engineering of zinc-ion batteries using tellurium nanobelt as a protective layer for enhancing energy storage performance)'이다.

최근 에너지 부족과 환경 오염 문제가 증가함에 따라 신재생 에너지인 풍력과 태양에너지에 대한 산업의 요구가 높아지고 있다. 이러한 산업의 요구에 따라 신재생 에너지의 간헐적 출력을 관리하는 에너지 저장 시스템(ESS)도 관심을 받고 있다. 그러나 기존 ESS에서 사용되는 리튬-이온 전지는 그 특성상 화재나 폭발 등 안정성 문제 등으로 인해 대규모 및 실내 적용에 한계가 존재한다.

이러한 한계를 극복하기 위해 풍부한 매장량, 낮은 독성, 더 높은 이론 용량(820mA h g-1) 등의 장점을 가진 아연-이온 전지가 주목받고 있다. 하지만, 아연-이온 전지 작동 중 음극으로 사용되는 아연 금속의 수지상 결정 형성과 부식으로 인한 전지 내부의 저항 증가, 그로 인한 성능 저하, 심한 경우 전지가 완전히 고장 나는 문제가 있다.

경상국립대-한국세라믹기술원 공동연구팀은 텔루륨(Te)으로 만든 나노벨트 구조를 합성해 아연 음극 표면에 보호층으로 사용함으로써 아연-이온 전지의 문제를 해결했다. 이 방식은 텔루륨 보호층이 전지의 안정성과 습윤성을 강화해 수많은 핵 생성 사이트를 도입하고, 부식, 아연 용해, 제한된 습윤성 및 아연 도금을 위한 불충분한 핵 생성 사이트와 같은 문제를 극복해 전력밀도, 용량 등 에너지 저장 성능을 크게 향상시켜, ESS와 같은 다양한 에너지 저장 장치에 사용 가능하다는 것을 보여주었다.

이번 논문의 1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 이수범 씨는 "같이 연구하는 동료와 지도교수님의 협력과 도움 덕분에 에너지 분야의 권위 있는 저널에 게재하게 돼 기쁘다"며 "앞으로 실제 산업에 도움을 줄 수 있는 기술을 개발하기 위해 노력하겠다"고 말했다.

또한 공동연구기관인 한국세라믹기술원 제연진 연구원은 "공동연구를 통해 권위 있는 저널에 게재돼 더욱 기쁘다"며 "앞으로 활발한 공동연구를 통해 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 연구를 하기 위해 지도 박사와 함께 노력하겠다"고 말했다.

교신저자로 참여한 한국세라믹기술원 지상수 선임연구원은 "반도체, 열전소재로만 활용되던 텔루륨의 고유 특성을 활용해 수계-아연 이온전지의 에너지 저장 성능을 크게 개선한 새로운 기술이다"며 "향후 수계-아연 이온전지에 적용되는 다양한 세라믹 소재 기술 및 양산 공정 기술을 개발해 관련 기업의 사업화 활동을 지원할 계획이다"고 말했다.

경상국립대 안건형 교수는 "해당 기술은 저가격·고안전성 ESS에 필요한 맞춤형 이차전지를 위한 핵심 원천기술이며, 확보한 기술을 비롯해 수계-아연 이온전지의 산업화 진출 및 확장을 위한 연구 활동을 연속적으로 수행할 계획이다"고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)이 주관하는 에너지국제공동연구(R&D)의 지원으로 수행했다.