국내 연구진이 빠른 충전과 방전 환경에서도 성능 저하를 줄이고 수명을 늘릴 수 있는 수계 아연이온전지 핵심 기술을 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI)과 성균관대학교 공동 연구진은 수계 아연이온전지의 한계로 꼽혀온 출력 저하, 전극 구조 손상, 덴드라이트 형성 문제를 해결할 수 있는 양극·음극 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.
수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용하는 전지로, 리튬이온전지보다 화재 위험이 낮고 가격 경쟁력이 높아 차세대 에너지저장장치 후보로 주목받고 있다. 다만 급속 충·방전을 반복하면 성능이 떨어지고, 아연이 바늘 형태로 자라는 덴드라이트가 발생해 수명 저하와 단락 위험을 유발하는 문제가 있었다.
연구진은 양극 성능 개선을 위해 아연 이온만 반응하던 기존 방식에서 벗어나 칼륨 이온이 함께 작동하는 ‘이중이온 삽입 구조’를 도입했다. 이를 통해 이온 이동 병목 현상을 줄이고, 고속 충·방전 시 출력 저하와 전압 손실을 개선했다.
또 철 기반 폴리아니온 구조를 양극 소재 골격으로 적용해 충·방전 과정에서도 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 했다. 연구진은 고율 충·방전 평가를 통해 출력 유지 특성과 장기 안정성이 향상됐음을 확인했다.
음극 분야에서는 아연 덴드라이트 형성을 억제하는 나노구조화 계면 기술을 개발했다. 연구진은 금 나노씨드 배열과 환원 그래핀 나노층을 결합해 아연 이온의 이동과 초기 핵생성 과정을 균일하게 유도했다.
해당 음극 기술은 3000시간 이상의 장기 충·방전 환경에서도 안정적으로 동작했다. 또 최소량의 아연만 사용하는 조건에서도 안정적인 구동이 가능했으며, 킬로그램당 156.1와트시 수준의 에너지밀도를 달성했다.
김종순 성균관대학교 교수는 “빠른 충·방전 과정에서 발생하는 성능 저하와 구조 열화는 수계 아연전지의 대표적 난제였다”며 “이번 연구는 이중이온 삽입 구조를 안정적으로 구현함으로써 속도 특성과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 방향을 제시했다”고 말했다.
신동옥 ETRI 박사는 “나노구조화 계면 설계를 통해 아연 금속의 초기 핵생성과 성장 방향을 동시에 제어함으로써 덴드라이트 없는 안정적인 아연 음극을 구현했다”며 “고에너지밀도와 장수명을 동시에 요구하는 차세대 수계 이차전지 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연구진은 앞으로 전해질 조성, 전극 미세구조, 셀 설계를 추가 최적화하고 파우치셀 기반 실증 연구를 통해 실제 응용 가능성을 검증할 계획이다.
이번 연구 가운데 양극 소재 연구는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 2025년 10월 게재됐다. 음극 소재 연구는 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 2026년 5월 온라인 게재됐다.
헬로티 이동재 기자 |
