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에너지신소재공학과 안건형 교수 연구팀, 고질량 수계 아연이온전지용 고성능 바인더 기술 개발

- Zn²⁺ 배위 결합 기반 PVDF 바인더로 Mn 용출 및 Jahn-Teller 왜곡 억제
- 고질량 MnO₂ 전극의 구조 안정성과 장기 사이클 특성 동시 확보… AI 데이터 센터용 수계 전지 구현 한 걸음 더
- 안건형 교수, "AI 데이터센터용 차세대 수계 전지 상용화 가능성 제시"
- 에너지소재 분야 국제 학술지 Advanced Functional Materials 게재

▲ 왼쪽부터 장인성 연구원, 유근 박사과정생, 안건형 에너지신소재공학과 교수

동국대학교(총장 윤재웅)는 에너지신소재공학과 안건형 교수(교신저자), 장인성 동국대학교 AI기반 이차전지 소재 연구실 연구원(공동 제1저자), 유근 동국대학교 에너지신소재공학과 박사과정생(공동 제1저자)으로 구성된 연구팀이 수계 아연이온전지(Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs)의 성능 저하 원인인 Mn 용출과 고질량 전극의 한계를 동시에 해결할 수 있는 새로운 바인더 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials(2026; 36:e75881)에 "Binder Engineering Suppresses Jahn-Teller-Driven Mn Dissolution and Enables High-Loading MnO₂ Cathodes for Aqueous Zn-Ion Batteries (https://doi.org/10.1002/adfm.75881)"라는 제목으로 게재됐다.

최근 인공지능(AI)의 급속한 발전으로 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 수요가 증가하면서 안전성과 경제성을 동시에 갖춘 차세대 배터리 기술이 요구되고 있다. 수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 매우 낮고 원재료 가격이 저렴해 차세대 ESS 후보로 주목받고 있지만, MnO₂ 양극의 Jahn-Teller 왜곡으로 인한 Mn 용출과 두꺼운 전극에서 발생하는 낮은 에너지 밀도가 상용화를 가로막는 핵심 문제로 지적되어 왔다.

연구팀은 기존 PVDF 바인더에 Zn²⁺를 배위(coordination)시킨 새로운 PVDF/Zn²⁺ 바인더를 개발·도입해 문제를 해결했다. 해당 바인더는 전극 내부에서 균일한 전극 구조를 형성하는 동시에 MnO₂ 양극의 Jahn-Teller 왜곡을 완화하여 Mn 용출 및 균열 발생을 효과적으로 억제하는 역할을 수행한다. 또한 전해질 침투성을 향상시켜 Zn²⁺ 이온 확산과 전하 전달을 촉진했으며, 전극의 젖음성(wettability)과 기계적 안정성을 동시에 높여 고질량 전극에서도 우수한 전기화학적 성능을 유지할 수 있도록 했다.

특히 약 9.7 mg cm⁻²의 높은 질량 로딩 조건에서도 우수한 면적당 용량을 유지했으며, 1C 조건에서 400회 충·방전 후에도 약 0.9 mAh cm⁻²의 면적 용량을 유지하는 뛰어난 사이클 특성을 나타냈다. 또한 기존 PVDF 전극보다 낮은 계면 저항과 빠른 Zn²⁺ 확산 특성을 보여 고출력 구동 환경에서도 우수한 성능을 입증했다.

안건형 교수는 "이번 연구는 단순히 새로운 바인더를 개발한 것이 아니라, MnO₂ 양극의 근본적인 열화 메커니즘인 Jahn-Teller 왜곡과 Mn 용출을 동시에 억제할 수 있는 새로운 전극 설계 전략을 제시한 것"이라며, "향후 대용량 에너지저장장치와 AI 데이터센터용 차세대 수계 아연이온전지 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속 사업, 산업통상자원부 기술혁신 사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.