성균관대 박호석 교수팀이 아연-알루미늄 합금 음극과 하이브리드 전해액 조합을 통해 고용량, 장수명을 가진 아연-알루미늄 합금 이차전지 소재 개발에 성공했다.

최근 리튬이온전지의 에너지밀도 향상의 대안으로 비리튬계 금속인 알루미늄을 이용한 차세대 금속 음극 연구가 주목받고 있지만 알루미늄 음극은 합성이 어려운 이온성 액체와 유기용매에서만 가역반응이 가능하며, 쉽게 부식되는 한계가 있다.  
 
 친환경적인 물을 용매로 사용하는 수계 전해질은 이온전도도가 높고 가격이 낮지만, 부동화층 형성과 수소 발생이 단점이다.

연구팀은 다양한 유기용매의 전기화학적·물리적 성질을 고려하고, 물과의 최적 조합을 찾아 알루미늄 이온 전해액을 설계한 뒤 아연 금속과 알루미늄 이온의 가역적인 합금 반응을 구현함으로써 난제를 극복하였다.
 
실험 결과, 개발한 음극 소재의 수명이 7000시간이 넘음을 확인하였으며, 이는 기존 아연, 알루미늄, 합금 음극 중에서 가장 우수한 수명 특성으로 볼 수 있다.
 
더불어 25마이크로미터 이하의 얇은 아연-알루미늄 합금 음극과 10 mg/cm2의 높은 로딩양의 양극을 조합한 배터리 완전 셀을 제작한 실험에서도 183 mAh/g의 높은 용량과 5000회 이상의 장수명 특성을 구현하였다.  
 
박호석 교수는 “이번 연구는 아연-알루미늄 합금 음극과 하이브리드 전해액 조합을 통해서 리튬금속 전지의 문제점인 안전성과 가격 경쟁력을 해결하는 동시에 에너지밀도를 높일 소재 원천 기술을 확보한데 의의가 있다”고 밝혔다.
 
향후에는 하이브리드 전해질에 대한 기초적인 이해를 통해 유기용매의 분자디자인과 조성 최적화, 배터리 셀 성능 향상을 위한 양극 최적화 등의 추가 연구를 수행할 계획이다.