요약 : 수계 아연 이차전지용 탄소 음극 소재 표면에서 발생하는 수소발생반응(HER) 및 부산물 형성 억제를 위한 소재 설계 기술 개발

내용 : 금속 아연 음극을 기반으로 한 수계 아연 이차전지는 물을 기반으로 하여 폭발/화재의 위험성이 매우 적으며, 아연의 많은 자원량과 높은 이론 용량(820 mA h g-1 and 5855 mA h cm-3)으로 모바일 전자 기기 및 대규모 에너지 저장 시스템에 적용하기 위한 차세대 전력원으로 주목 받고 있다. 하지만 수계 아연 이차전지는 수계 전해질을 사용하기 때문에 물 분해로 인한 수소 발생 반응(HER)과 부산물 형성으로 인한 전기화학적 성능 저하의 문제점이 있다. 약산성 전해질을 사용하는 수계전해질 시스템 내에서 강한 부식저항성을 가지며 넓은 활성표면을 제공할 수 있는 탄소계 집전체가 널리 사용되고 있지만 탄소집전체의 표면특성과 기공특성에 따라 물 분해 및 부산물 형성반응에 상당한 영향을 주는 현상이 여러 차례 보고되고 있다. 그럼에도 불구하고 구체적인 탄소집전체-수계전해질의 상호작용에 대한 이해도는 매우 부족하여 탄소 전극 소재 설계에 어려움이 있었다. 본 연구에서 탄소 전극 소재의 표면 특성, 미세구조 및 기공구조가 아연 수계 이차전지용 전해질과의 상호작용을 통해 물 분해와 부산물형성 반응에 미치는 영향에 대해 조직적/체계적으로 조사하였으며 산소 작용기와 같은 헤테로원소의 물 분해 촉진 효과는 미미한 반면 초미세기공과 물분해의 강한 상호작용을 규명하였다. 따라서 초미세기공이 최소화 된 3차원 탄소 전극 소재를 수계 아연 이차전지용 음극소재로 활용하여 2,000회 이상의 장기간 충/방전 수명 안정성과 ~99% 이상의 매우 높은 쿨롱 효율을 달성하였다.

본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 강동혁 석/박사 통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며, 강원대학교 임형규 교수의 도움을 받아 진행되었다.

그림 1. 초미세기공과 수소 발생 반응 사이의 강한 인과관계를 보여주는 제일원리계산 데이터