고려대, 알루미늄 이차전지 합선 원인 규명⋯성능·안전성 개선

▲(왼쪽부터) KU-KIST 융합대학원 허영훈 석박사 통합과정(제1저자), 고려대 KU-KIST 융합대학원 윤영수 교수(교신저자) (사진=고려대)

알루미늄 이차전지의 고질적 한계로 꼽히던 내부 합선 문제를 개선할 수 있는 핵심 기술이 고려대학교 연구진에 의해 개발됐다.

고려대는 KU-KIST융합대학원 윤영수 교수팀이 알루미늄 이차전지의 성능과 안전성을 높일 수 있는 고성능 전극 및 박막 분리막 설계 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

알루미늄 이차전지는 원료 매장량이 풍부하고 저장 용량이 커 차세대 에너지 저장장치로 주목받는다. 충·방전 과정에서 전극이 갑작스럽게 합선되며 셀이 손상되는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적됐다. 합선을 방지하기 위해 두꺼운 분리막을 적용하면 에너지 밀도와 출력 성능이 떨어지는 점도 한계로 꼽혔다.

연구팀은 이번 연구에서 알루미늄 증착 과정 중 염소 이온 이동이 원활하지 않을 경우 반응 생성물이 전극 주변에 집중되면서, 알루미늄이 뾰족한 형태로 성장해 분리막을 손상시키고 내부 합선을 유발한다는 점을 규명했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 알루미늄이 전극 내부에 고르게 저장될 수 있도록 ‘3차원 나노구조 탄소 전극(3D-GCE)’을 설계했다. 여기에 분리막 표면에 염소를 도핑한 ‘염소 도핑 폴리프로필렌 분리막(Cl-PP)’을 적용해 염소 이온 이동 속도를 높였다.

해당 설계를 적용한 결과, 기존보다 10배 이상 얇은 분리막을 사용하면서도 약 8.2mAh/㎠의 높은 면적 용량과 500회 이상의 안정적인 충·방전 수명을 확보했다. 연구팀은 알루미늄의 비정상 성장 현상을 억제해 전지의 안정성과 성능을 동시에 높였다고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘인포맷’(InfoMat) 온라인에 지난달 30일 게재됐다. 연구는 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.