나노기술 및 정책 정보

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● 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 이홍경 교수와 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 김병곤 박사 공동 연구팀이 수계 아연-이산화망간 전지의 사용 수명을 대폭 향상시킬 수 있는 산 처리된 나노 탄소 지지층 기술을 개발

● 유기 전해액을 기반으로 하는 리튬이온전지의 경우, 발화성이 높아 안전성이 떨어지며 공정비용이 높지만, 수계 아연-이산화망간 전지는 물 기반 전해액을 사용하기 때문에 안전하며, 가격 절감에 유리

● 하지만, 기존 리튬이온전지보다 복잡한 반응들로 구성된 아연-이산화망간 전지의 충․방전 구동은 이산화망간에서 망간 이온(Mn2+) 용출과 이로부터 기인한 중간생성물들의 부산물인 절연체의 축적을 유발하게 되는데, 이는 전지의 낮은 가역 효율과 용량 저하의 주원인

● 이에 연구팀은 전지 열화가 주로 망간 이온 용출로부터 기인함을 실험적으로 재정립하고, 이를 해결하기 위해 양극과 분리막 사이에 기공성 탄소 지지체를 삽입한 새로운 전지 설계를 제안

● 특히, 지지체는 전지의 에너지밀도 손실을 최소화 할 수 있도록 얇은 필름 형태로 제작되었으며 지지체를 구성하는 탄소 나노분말의 표면을 산처리하여 전자전도성 및 이온친화 기능을 동시에 부여

● 산 처리를 통한 탄소 나노분말의 표면개질은 수계 전해질과의 적합성이 향상되어 원활한 이온 흐름을 가능하게 함과 동시에 용출된 망간 이온의 포획을 유도할 수 있는 것이 특징이며, 전자전달 경로를 추가 제공하여 부산물인 ZHS의 분해와 절연체의 축적 억제가 가능

● 산 처리 탄소 지지층이 도입된 아연-이산화망간 전지는 3,000 사이클 구동 후에도 85.6%의 높은 용량 유지율을 보이며 안정적인 충․방전 사이클 구동이 가능

● 연구팀은 해당 연구에서 제안하는 산 처리 탄소 지지층 도입을 통해 경제성과 대용량 아연-이산화망간 전지의 수명 안정성을 확보할 수 있고, 차세대 에너지 저장원으로서 리튬이온전지를 대체할 수 있을 것으로 기대

※ Small Methods 게재(2021.12.02.), “Highly Reversible Cycling of Zn-MnO2 Batteries Integrated with Acid-Treated Carbon Supportive Layer”

※ KERI, 한국연구재단(기후변화대응기술개발사업) 지원