차세대 해수전지의 성능, 검은색 옷 입혀 대폭 증가시킨다!

슈퍼히어로 영화에는 항상 연약하거나 평범한 주인공이 등장한다. 이런 주인공은 특정한 계기를 통해 “슈트”를 장착하면서 특별한 능력을 갖게 된다. 최근, 이런 흥미로운 현상을 착안해 진행된 연구가 있어 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈）에너지화학공학과 이동욱 교수는 해수전지에서 집전체로 쓰이는 티타늄(Ti)의 표면에 티타늄카바이드(TiC)라는 검정색 슈트를 입혀 해수전지의 성능을 대폭 증가시키는 기술을 개발했다. 특히, 이 과정에서 탄소집전체의 부식현상(corrosion)이 억제됨을 발견했다. 이를 체계적으로 분석해 향후 새로운 해수전지 금속 집전체 연구의 설계에 도움이 될 전망이다.

집전체는 전자가 이동하는 통로가 되는 소재를 일컫는다. 그 중 해수전지의 양극 집전체는 탄소 집전체와 티타늄 금속 집전체로 이뤄져 있다. 티타늄 금속 집전체는 해수와 작용했을 때 안정성이 높아 널리 사용되고 있다.

그림1. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 배터리 전자 이동 비교

하지만 해수전지 및 다른 전지들에서 종종 발생하는 탄소집전체의 부식현상은 전지의 싸이클 안정성을 약화시키는 주요 원인으로 꼽힌다. 따라서 높은 안정성을 갖기 위해 탄소집전체의 부식을 억제하는 것은 무엇보다 중요하다.

연구팀은 이런 집전체의 부식을 막아 해수전지의 효율을 높이기 위한 방법을 고안했다. 연구팀이 개발한 TiC를 코팅한 티타늄(Black　Ti)은 해수환경에서 화학적, 전기화학적, 기계적 안정성을 보였다. 개발한 집전체를 해수전지에 이용할 경우 coin 타입 셀은 기존 대비 사이클의 성능은 4배, 출력 성능은 30% 향상됐으며 전압 간격은 20% 수준으로 감소했다. 또한 대용량 셀인 prismatic 타입 셀에도 적용에도 성공해 출력 성능이 15% 증가하고 저항과 전압 간격은 각각 25%, 20%가 감소한다는 결과값을 도출했다. 연구팀은, 성능 향상 요인이 탄소집전체의 부식을 억제하는 것에서 기인하였음을 정량적, 정성적으로 확인했다.

그림2. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 배터리 촉매 효과 비교

제 1 저자인 조윤종 연구원은 “해수전지는 바닷물을 양극물질로 이용한 차세대 배터리 시스템이다”며 “이번 연구를 통해 간단한 방식으로 제작한 집전체가 해수전지뿐 아니라, 연료전지, 플로우 전지, 금속 공기 배터리 등의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

그림3. 기존의 티타늄 (Normal Ti)을 쓴 경우와 TiC를 코팅한 티타늄 (Black Ti)를 쓴 경우 탄소집전체 열화 비교

이번 연구는 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP)과 UNIST의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 권위적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 ‘Advanced functional materials’에 온라인에 2월 20일 게재됐다.