아연 이온 전지

아연 이온 전지( 또는 Zn-ion battery, ZIB로 약칭)는 아연 이온(Zn2+)을 전하 운반자로 사용한다. 특히 ZIB는 Zn 금속을 애노드로, Zn 층간 삽입 재료를 캐소드로, Zn 함유 전해질을 사용한다. 일반적으로 아연 이온 전지라는 용어는 충전 가능한 (2차) 전지를 지칭하며, 이는 때때로 충전 가능한 아연 금속 전지(rechargeable zinc metal batteries, RZMB)라고도 불린다. 따라서 ZIB는 알칼리 전지 또는 망간 건전지와 같이 아연을 사용하는 비충전식 (1차) 전지와 다르다.

 역사 
2011년, 페이위 강(Feiyu Kang)의 연구팀은 ZIB의 캐소드로 사용되는 알파형 이산화 망가니즈(MnO2) 호스트의 터널 구조에 Zn 이온의 가역적인 층간 삽입을 처음으로 선보였다.

캐나다의 워털루 대학교는 자체 연구소에서 개발된 아연 이온 배터리 기술에 대한 특허권을 소유하고 있다. 캐나다 기업 Salient Energy는 아연 이온 배터리 기술을 상용화하고 있다.

다른 형태의 충전 가능한 아연 전지 또한 정지형 에너지 저장을 위해 개발되고 있지만, 이들은 명시적으로 아연 이온 전지는 아니다. 예를 들어, Eos Energy Storage는 캐소드 반응이 할로겐의 산화 및 환원을 포함하는 아연-할라이드 전지를 개발하고 있다. Eos Energy Storage는 텍사스와 캘리포니아 전력망에 사용될 1.5GWh 규모의 '미국산' 아연 전지를 생산하고 있다.

 연구 
 동기 
ZIB는 저렴한 가격, 안전성, 수성 전해질과의 호환성 때문에 그리드 규모의 에너지 저장을 위한 리튬 이온 전지의 대안이 된다. 애노드, 전해질, 캐소드에서의 연구 과제들이 현재 추가적인 상용화를 막고 있다.

 애노드 
아연 금속 음극은 높은 이론적 에너지 밀도 (5854 Ah L−1), 무게당 용량 (820 Ah kg−1) 및 자연적 풍부함을 가진다. 아연은 아연 도금에 사용되고 광범위한 지리적 가용성 때문에 리튬 금속보다 더 높은 규모로 생산되고 매장량이 확인되었다. 아연 금속을 애노드 재료로 사용하는 다른 이점으로는 수성 및 비수성 전해질 모두와의 호환성, 리튬에 비해 높은 안전성 및 낮은 환경 독성이 포함된다.

일반적인 중성 수성 전해질에서 Zn 금속 애노드의 과제는 수소 발생 반응과 애노드 부식으로, 이는 용량 손실을 유발할 수 있다. 덴드라이트 성장은 Li 금속에서와 마찬가지로 Zn 금속에서도 고르지 않은 도금으로 인해 발생한다. 이러한 덴드라이트는 용량 손실과 전지 합선을 유발할 수 있지만, 수성 전해질로 인해 리튬 금속 전지에서와 같은 폭발 및 화재 위험을 일으키지는 않는다. 이러한 과제를 해결하기 위한 현재의 연구 전략에는 애노드 캡핑층, Zn 금속의 구조적 및 화학적 변화가 포함된다.

 전해질 
수성 전해질은 높은 도전율, 저렴한 가격, 불연성, 환경 안전성 때문에 ZIB에서 지배적인 형태이다. 일반적인 아연 염은 황산 아연, Zn(OTf)2 및 Zn(TFSI)2이다. 황산 아연은 저렴한 비용과 전극 안정성 때문에 오늘날 널리 사용되지만, 더 큰 트라이플레이트 및 TFSI 음이온은 더 높은 전도도를 유발할 수 있다. 수성 전해질의 장점에도 불구하고, 수소 발생 반응과 쉬운 덴드라이트 성장은 그 사용을 제한한다. 완충 용액과 같은 전해질 첨가제 또는 다른 아연 염은 아연 용해 구조를 변경하여 수성 전해질의 성능을 향상시킬 수 있으며, 초고농도 전해질의 사용도 마찬가지이다.

비수성 전해질은 수소 발생 반응을 방지하기 위해 유기 액체 또는 이온성 액체 전해질을 사용하는 현재 연구 분야의 또 다른 영역이다. 이러한 전해질의 낮은 전도도와 높은 비용에도 불구하고, 이들은 물(1.7V)보다 높은 전압 안정성 창과 수소 발생 반응이 없기 때문에 더 높은 쿨롱 효율 및 사이클 수명을 가질 수 있다. 현재 연구는 이러한 전해질의 전도도를 높이고 전하 이동 전기 저항과 전도도를 낮추는 방법을 포함한다.

최근에는 비수성 유기 용매를 공용매로 수성 전해질에 도입하는 접근 방식이 널리 연구되고 있다. 이 접근 방식은 수성 전해질의 장점(예: 안전성, 높은 이온 전기 전도도, 환경 친화성)을 유지하면서 물과 관련된 부반응을 동시에 억제한다. 특히, 디메틸 설폭사이드(DMSO), 프로필렌 카보네이트(PC), 및 디에틸 카보네이트(DEC)와 같은 친수성 및 소수성 유기 용매가 모두 연구되었다. 연구에 따르면 이 전략은 수성 아연 전지의 전기화학적 안정성과 성능을 향상시키는 것으로 나타났다.

 캐소드 
망가니즈 및 바나듐 산화물은 안정성과 이론적 용량 때문에 ZIB의 가장 인기 있는 캐소드 재료이다. 이산화 망가니즈 (MnO2) 캐소드는 다양한 층간 삽입 기하학적 구조와 비축 용량을 가진 여러 상으로 존재하며, 이 중 가장 많이 연구된 것은 알파형, 감마형, 델타형이다. 이 두 재료 외에도 프러시안 블루 유사체, 스피넬 구조 산화물, 헥사시아노철산염 및 유기 재료 또한 캐소드 재료로 탐색되고 있다. ZIB의 정확한 반응 메커니즘과 전해질-캐소드 관계를 확인하기 위한 추가 연구가 필요하다.

 플렉시블 아연 이온 전지 
아연 이온 전지 화학은 플렉서블 전자회로 시장에 침투할 잠재력을 가지고 있으며, 유연한 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 유연한 배터리는 안전하고 초박형이어야 하며, 아연 이온 화학은 리튬 이온 전지와 같이 에너지 밀도가 유사한 배터리에 비해 훨씬 안전한 대안을 제공한다. 현재 연구에 따르면 하이드로겔 전해질을 사용하는 플렉시블 아연 이온 전지(FZIB)는 뛰어난 성능과 신축 및 굽힘 특성을 보인다. 한 셀의 경우, 셀의 다른 굽힘 반경에 대한 방전 곡선은 원래의 평평한 상태 곡선과 일치하며 용량이 약간만 손실되어 변형된 상태에서도 셀이 잘 작동함을 보여준다. 심지어 FZIB가 자동차에 밟힌 후에도 초기 상태와 유사한 방전 용량을 유지하는 것으로 밝혀졌다.

그러나 FZIB 기술을 실험실에서 실제 응용 분야로 가져오기 위해서는, 특히 적절한 전해질과 호환 가능한 전극을 찾는 측면에서 향후 연구가 필요하다. 유망한 유연 전해질은 높은 이온 전도도와 우수한 유연성을 가지지만 연약한 특성 때문에 환경에 민감한 하이드로겔이다.

 공급망 
 환경 영향 
수성 아연 이온 전지(AZIB)의 중요한 이점 중 하나는 리튬 이온 전지 (LIB) 또는 소듐 이온 전지 (NIB)와 같은 다른 배터리 화학에 비해 환경 영향이 적다는 것이다. AZIB의 화학적 특성상 LIB 또는 NIB와 같이 통제된 불활성, 산소 및 습기 없는 환경이 필요 없이 주변 조건에서 조립할 수 있어 환경 영향이 적다. 또한 AZIB에 사용되는 수성 전해질은 LIB에 사용되는 유기성, 종종 유독성 전해질에 비해 인간 건강과 환경에 더 좋다. 6가지 AZIB 배터리 화학에 대해 수행된 수명 주기 평가 연구에서 지구 온난화 지수는 22.1에서 95.2 kg 이산화탄소 상당량 범위였다. LIB의 중간값인 120 kg 이산화탄소 상당량과 비교할 때, AZIB는 배출량 측면에서 LIB와 같거나 더 낫다.

현재 AZIB의 캐소드, 분리막, 애노드가 지구 온난화 잠재력의 주요 동인이다. 캐소드는 종종 다단계 제조 공정으로 생산되며 니켈이나 테트라하이드로푸란과 같은 에너지를 많이 소모하는 재료를 필요로 한다. 분리막은 덴드라이트 형성을 방지하기 위해 기계적으로 강해야 하므로 상당한 양의 유리 미세섬유를 사용해야 하며, 이는 상대적으로 큰 체화 에너지를 수반하기 때문에 지구 온난화 잠재력에 상당한 기여를 한다.

AZIB의 환경 영향을 더욱 개선할 수 있는 많은 연구 분야가 추구되고 있다. 현재 리튬공기전지 또는 리튬 황 전지에 비해 AZIB의 낮은 부피 에너지 밀도는 동일한 양의 에너지를 저장하기 위해 더 큰 AZIB 셀을 사용해야 함을 의미한다. 더 높은 전압에서 더 높은 질량 부하로 작동할 수 있는 캐소드를 만들면 필요한 셀 크기가 줄어들어 재료 사용이 감소하고 환경 발자국이 개선된다. 또한 이러한 배터리가 시간이 지남에 따라 겪는 용량 감소를 해결하면 배터리의 수명이 연장되고 요람에서 무덤까지의 영향이 줄어든다. 마지막으로, 전해질 및 분리막으로 재생 가능한 재료, 특히 적절한 기계적 특성과 우수한 전기화학적 성능을 가진 하이드로겔을 생성할 수 있는 다당류 및 그 유도체 사용에 대한 연구가 진행 중이다.

 재활용 
ZIB의 재활용 과정은 현재 초기 단계이다. 일부 연구에서는 증발 및 분리를 통해 배터리에서 99% 이상의 효율로 금속 아연을 회수할 수 있으며, 이 재료는 물리적 특성 변화 없이 무기한 재활용될 수 있음을 보여주었다. 분리막은 재활용에 더 큰 과제를 제기하지만 바이오폴리머 전해질의 사용은 환경 친화적인 재활용 접근 방식을 가능하게 한다. 유기 전기활성 물질(OEM)이 사용되는 경우 이들은 저렴한 유기 용매에 높은 용해도를 보이며 충전 및 방전 상태 모두에서 안정적이다. 이를 통해 OEM AZIB는 높은 회수 잠재력으로 어떤 충전 상태에서도 재활용될 수 있다.

 같이 보기 
 배터리 종류 목록

 각주 

분류:이차 전지