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Nikkei X-TECH_2022.3.18

아연 2차전지의 실용화 코앞？
미쓰이금속과 도시샤대학, 긴 사이클 수명 확인

미쓰이금속광업은 개최 중인 종합전시회 ‘스마트 에너지 Week 2022 봄’ 가운데 ‘2차전지전’(22년 3월 16일~18일, 도쿄 빅사이트)에서 ‘아연니켈(Zn-Ni) 2차전지’의 음극용 Zn박을 전시, 동시에 그 시작 셀의 특성 데이터의 일부를 공개했다. 1,900회 이상의 충방전 사이클 수명을 확인했다고 한다. 도시샤대학 대학원 이공학연구과 모리미쓰(盛満) 교수 연구실과의 공동 연구의 성과이다.

-- Zn 2차전지의 개발은 실패의 역사 --
Ni를 양극, Zn을 음극으로 하는 Zn-Ni 2차전지는 전해질에 수용액을 사용할 수 있어 안전성이 높은데다 이론적인 부피 에너지 밀도가 매우 높다. 충방전 사이클 수명을 충분히 길게 확보할 수 있다면 기존의 리튬이온 2차전지(LIB)의 성능을 크게 뛰어넘는 잠재력을 갖추고 있다.

그런데 지금까지는 충방전 시에 음극에 ‘덴드라이트’라는 Zn의 석출물이 만들어지고, 그것이 불과 몇 사이클 만에 양극에까지 도달해 합선(쇼트)되는 과제를 해결하지 못하고 있었다. 그 높은 잠재력을 보고 지금까지 많은 기업과 연구기관이 개발에 참전했지만 대부분이 ‘전사’했다. 즉, 덴드라이트를 해결하지 못하고 철수했었다.

최근까지 개발에 착수하고 있던 어느 재료 기업은 세퍼레이터를 단단하게 하거나 두껍게 하는 방법으로 단락은 막을 수 있게 되었다. 그러나 음극 표면에 석출된 Zn이 벌크의 몇 %라는 저밀도 형태로 퇴적됨으로써 용량과 에너지 밀도가 큰 폭으로 떨어지는 과제는 해결하지 못했다. 이 재료 기업은 “높은 에너지 밀도의 아연 2차전지의 실용화는 역시 어렵다”라고 말한다.

-- 사이클이 5,000회 이상 돈다 --
이 장벽을 세계에서 처음으로 무너뜨린 것은 도시샤대학의 모리미쓰 교수 연구실이다. 19년 말에 덴드라이트 과제를 해결한 Zn-Ni 2차전지를 개발했다고 발표했다. 구체적으로는 충방전 사이클 수명이 5,000회 이상이라고 한다.

이번 출전 내용은 모리미쓰 연구실의 기술을 활용해 미쓰이금속광업이 셀을 시험 제작해 그 특성을 확인했다는 것이다. 구체적으로는 Ni-Zn 2차전지의 시작 셀에서 1,900회 이상 충방전 사이클을 돌려도 용량 저하는 없었고, 음극에서 덴드라이트 등도 형성되지 않았다고 한다. 사이클 수명이 1,900회 이상이라는 것은, 5,000회에서 줄어든 것이 아니고 현시점에서 측정할 수 있었던 것이 1,900회 이상이라는 것이다. 다만 셀의 구체적인 용량이나 에너지 밀도는 공개하지 않았다.

-- 음극의 Zn박을 전해법으로 제작 --
미쓰이금속광업의 독자적인 아이디어 중 하나는, 음극에 전해법, 즉 도금기술로 제작한 Zn박을 이용했다는 점이다. 지금까지 일반적인 Zn-Ni 2차전지의 음극에는 벌크의 Zn을 압연(壓延), 즉 눌러서 늘려 제작한 Zn판이나 Zn박을 이용했었다.

전해법을 사용한 효과는 (1) 도금 시에 다른 재료를 첨가하기 쉽고, 합금화가 용이해진다, (2) 입자 지름이 압연 Zn판보다 세밀하고, 균일성이 높다고 예상할 수 있다, (3) 충방전 시의 가스 발생량은 압연 Zn박의 1/100로 적다, (4) 이 Zn박은 매우 얇고 유연하며, Roll to Roll(R2R) 방식의 양산에도 적용 가능하다는 점이다.

(1)에 대해서는 이번 Zn박도 합금이라고 한다. 한편, (4)의 얇은 음극은, 배터리의 용량과 트레이드오프가 되지만, 전해법의 경우는 음극을 두껍게 하는 것도 용이하다고 한다.

미쓰이금속광업에 따르면, 음극용 Zn박의 개발은 기술적으로는 거의 완료되었고, 유저가 있다면 당장이라도 양산이 가능하다고 한다.

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