이상영 교수팀, 영하 40도에서도 얼지 않는 아연전지 개발

겨울철 전기차 성능 저하 문제 해결 기대

세계적 학술지 ‘Energy & Environmental Science(IF 39.714)’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 이상영 교수, 고려대 곽상규 교수, 김홍이 박사(제1저자), 고려대 이경민 박사(제1저자)]

공과대학 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀은 고려대 곽상규 교수팀과 공동 연구를 통해 안전하고 저렴하며, 영하 40℃의 극저온에서도 안정적으로 작동하는 새로운 아연전지를 개발했다.

이 아연전지는 영하 40℃에서 기존 리튬이온전지와 유사한 에너지 밀도를 유지하면서도 10배 이상의 높은 출력 밀도를 보여, 겨울철과 같은 저온 환경에서 급격한 성능 저하를 보이는 전기차의 고질적인 배터리 문제를 해결할 것으로 기대된다.

최근 에너지 수요 증가 및 기후 변화에 대응하고자 안전하고 저렴한 차세대 이차전지 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 현재 시장을 주도하는 리튬이온전지는 글로벌 수급 불안정, 높은 제조 비용, 폭발 및 화재 등의 문제가 있어 이에 대한 대안으로 아연전지가 주목받고 있다.

아연전지는 저렴하면서 지구상에 풍부하게 존재하는 아연 금속을 음극으로 사용하고, 폭발 위험이 없는 물을 전해질로 사용해 안전성과 경제성이 우수한 전지 시스템이다. 하지만 아연전지에 사용되는 물 기반 전해질은 물의 어는점 이하의 환경에서는 전해질이 얼어 이로 인해 성능이 급격히 저하되는 문제가 발생한다.

이에 이상영 교수 연구팀은 ‘양쪽성 이온 기반 전해질’을 개발해 물 기반 전해질의 동결 문제를 효과적으로 해결했다. 양쪽성 이온은 한 분자 내 전기적으로 양성과 음성을 동시에 갖는 분자를 나타내며, 이러한 특성을 활용해 전해질 내 분자 간 상호작용을 제어함으로써 저온 환경에서 우수한 성능을 발휘하는 전해질을 구현했다.

이번 연구에서 개발한 신규 전해질은 어는 점을 영하 95℃까지 낮춰 영하 40℃의 환경에서도 기존 리튬이온전지와 유사한 에너지 밀도를 유지하면서 10배 이상의 높은 출력 밀도를 달성했다. 

[그림. (왼쪽부터) 양쪽성 이온의 분자 구조 및 개발 전해질의 전지 내 구동 원리 묘사, 저온 전지 성능 비교 모식도]

이상영 교수는 “이번 연구는 물 기반 전해질의 고질적인 저온 성능 문제를 해결함으로써, 극저온 환경에서 기존 리튬이온전지 성능을 넘어설 수 있는 기술을 제시한 것“이라며, “특히 최근 전기차 시장 확대를 가로막는 큰 기술적 장애물 중 하나인 저온에서의 성능을 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 우리 대학교 화공생명공학과 김홍이 박사, 고려대 이경민 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술 권위지인 ‘에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF 39.714)’에 2월 7일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Restructuring of aqueous electrolytes using a soft-acidic/hard-basic zwitterion for low-temperature anode-free Zn batteries

● 논문주소: https://doi.org/10.1039/D3EE02535G