윤태광 교수팀, 배터리 수명·안정성 동시에↑ 아연 금속 설계 기술 개발
- 안정성 우수한 차세대 친환경 배터리 ‘아연이온전지’의 수명 문제 해결 - 공정 간단해 실제 산업계 적용 기대 아주대학교 응용화학과 연구진이 배터리의 수명과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 기술을 개발하는 데 성공했다. 1분 이내의 간단한 공정만으로 배터리 성능을 획기적으로 개선할 수 있다는 점에서, 안전하게 오래 사용 가능한 차세대 배터리 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 윤태광 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과) 공동 연구팀은 아연 금속 표면을 새롭게 설계하는 기술을 개발, 배터리 수명과 안정성을 크게 향상시키는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘급속 마이크로파 식각 및 폴리도파민 보호를 통한 초단시간 아연 음극 표면 재구성 기반 장수명 수계 아연이온전지 구현(Second-Scale Surface Reconstruction of Zn Anodes via Rapid Microwave Etching Coupled With Polydopamine Protection for Practical Long-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries)’이라는 제목의 논문으로 <어드밴스드 에너지 매터리얼즈(Advanced Energy Materials)>에 3월 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 윤태광 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과)와 이준우 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과), 건국대 윤기로 교수(첨단융합공학부 재료공학과)가 함께 참여했다. 아주대 대학원 분자과학기술학과 석사과정의 이용균·김은서 학생은 제1저자로 함께 했다. 최근 전기차가 보편화되고 친환경 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지면서, ‘에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)’ 역시 주목을 받고 있다. 에너지 저장장치는 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때 공급, 에너지 효율을 높일 수 있는 도구로 배터리(Battery) 역시 에너지 저장장치 중 하나다. 배터리 기술과 관련해서는 안전성과 자원 공급의 불안정성이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 현재 전기차와 스마트폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는 리튬이온전지(Li-ion Battery)는 가연성 유기 전해질을 사용하기 때문에 화재 위험이 있으며, 리튬(Li)이라는 금속이 특정 국가에 편중되어 있어 공급 불안정성이 존재한다. 윤태광 교수 공동 연구팀이 개발한 수계 아연이온전지(Zinc Aqueous Battery) 금속 전극 설계 모식도 이에 비해 아연이온전지(Zinc Aqueous Battery)는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 안전성이 뛰어나다. 또한 아연이라는 자원이 비교적 풍부하고 저렴하다는 점에서, 아연이온전지는 차세대 친환경 배터리로 주목받고 있다. 하지만 반복적인 충전과 방전 과정에서 수명이 빠르게 감소하는 문제가 있어 이를 해결하는 기술의 개발이 중요한 과제로 여겨져 왔다. 연구팀은 배터리 성능을 떨어뜨리는 원인에 주목, 아연 배터리의 경우 충전과 방전을 반복할 때 금속이 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 현상과 물과의 반응으로 생기는 부반응 때문에 수명이 짧아진다는 점을 발견했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 두 가지 아이디어를 결합했다. 먼저 전자레인지 등의 작동에 활용되는 전자기파(마이크로파)를 이용해 아연 표면을 단 1분 만에 미세한 구멍 구조로 만들었다. 이 구조는 전류가 고르게 흐르도록 도와 금속이 한쪽으로 뾰족하게 자라는 것을 막는다. 여기에 더해, 홍합 접착 성분에서 착안한 ‘폴리도파민(polydopamine, PDA)’이라는 얇은 보호막을 입혀 물과의 불필요한 반응을 줄였다. 즉 ‘구조를 바꾸고 보호막을 씌우는 방식’으로 배터리를 안정화한 것. 연구팀의 새로운 방식을 적용한 배터리는 실제로 기존보다 훨씬 안정적인 성능을 보였다. 높은 출력 조건에서도 500시간 이상 안정적으로 작동했으며, 1500번 이상 충전과 방전을 반복한 뒤에도 약 70% 이상의 성능을 유지했다. 연구팀의 새로운 기술은 또한 복잡한 장비나 공정이 필요하지 않고, 짧은 시간 안에 제작할 수 있어 실제 산업 현장에서의 적용 가능성도 높다. 연구팀은 실제 이 기술을 적용한 배터리로 소형 전자기기를 구동하는 데도 성공했다. 이번 연구는 단순히 배터리의 성능을 높인 것을 넘어, 안전하고 오래 사용할 수 있는 배터리를 만드는 새로운 방법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이에 앞으로 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 윤태광 교수는 “이번 연구를 통해 배터리 사용 시 가장 문제가 되어 왔던 수명과 안정성 이슈를 동시에 개선해냈다”며 “간단한 공정으로 우수한 성능을 구현할 수 있어 실제 적용 가능성도 높다”라고 설명했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 G-Hub 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다. 한편 윤태광 교수팀은 최근 성균관대 장지수 교수팀, 충북대 김한슬 교수팀과의 공동연구를 통해 대기 중 온실기체를 흡착하는 과정에서 전기를 스스로 만들어내는 신개념 에너지 소자인 '가스전지(Gas Capture and Electricity Generator, GCEG)'를 개발, 해당 연구 내용은 <에너지 앤 이바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)>의 대표 표지 논문으로 4월 게재됐다. 이는 지구가 뜨거워지는 원인인 온실기체를 단순히 가두는 수준을 넘어, 유용한 에너지원으로 탈바꿈시킨 혁신적인 성과다. (왼쪽) 연구팀이 개발한 새 아연 배터리의 충·방전 반복에 따른 성능 변화 그래프. 1 A g⁻¹ 조건에서 500회 이상 충·방전을 반복한 이후에도 약 69.5%의 용량을 유지하며, 안정적인 쿨롱 효율을 보임. (오른쪽) 실제 제작된 파우치형 아연 배터리로 소형 전자기기를 구동하는 모습. 간단한 공정으로 제작된 배터리가 실제 기기 구동에 적용 가능함을 확인함 * 위 사진 : 왼쪽부터 윤태광 교수, 이준우 교수, 대학원 분자과학기술학과 석사졸업생 이용균, 김은서