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안건형 동국대 에너지신소재공학과 교수 연구팀, 배터리 계면 이온 정밀 제어 보호막(PPAI) 기술 개
폭발 위험 없는 아연이온전지 수명·출력 한계 극복… 확산 속도 19배 급증
망간 용출 줄여 400회 충·방전 후도 안정적… 세계적 권위지 '매터리얼스 투데이' 게재

[스마트경제 복현명 기자] 인공지능(AI) 기술의 폭발적인 발전으로 초거대 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 소모량이 급증하면서 이를 감당할 안전하고 경제적인 차세대 전력 인프라 구축이 시급한 과제로 떠올랐다. 현재 널리 쓰이는 리튬이온배터리는 고질적인 화재, 폭발 위험이 있어 대용량 전력 시설에 적용하기에 불안 요소가 컸다. 

이에 물을 전해질로 사용해 화재 위험을 원천 차단한 '수계 아연이온전지'가 강력한 대안으로 부상했으나 짧은 수명과 낮은 출력 특성이 상용화의 발목을 잡아 왔다. 이러한 상황에서 국내 연구진이 전지 내부 구조를 개조하지 않고 표면 계면의 이온 거동만 정밀하게 제어해 수계전지의 출력과 내구성을 획기적으로 향상시킨 혁신 기술을 개발해 학계와 산업계의 큰 주목을 받고 있다.

동국대학교(총장 윤재웅)는 안건형 에너지신소재공학과 교수(교신저자)와 장인성 연구원(제1저자) 연구팀이 수계 아연이온전지의 고질적인 성능 저하 원인을 원천 차단하는 '양성자 우선 흡착 계면(PPAI)' 기술을 제시했다고 7일 밝혔다. 기존 수계 아연이온전지는 이산화망간 양극을 사용할 때 망간(Mn) 성분이 전해질로 녹아 나오는 '망간 용출'과 양성자와 아연이온의 충돌로 전극이 부식되는 한계가 존재했다. 연구팀은 양극 표면에 특수 보호막을 형성해 이 문제를 깔끔히 해결했다. 

이 계면층은 과도한 양성자의 전극 침투를 막고 아연이온만을 선택적으로 받아들이는 스마트 필터 역할을 수행한다. 새로운 계면 기술을 적용하자 전지의 핵심 성능 지표들이 획기적으로 개선됐다.  무엇보다 아연이온의 확산계수가 기존 전극 대비 약 19배나 급증하며 전지의 반응 속도가 폭발적으로 상승했다. 이와 함께 전하 전달 저항이 대폭 줄어들고 배터리 열화의 주원인이었던 망간 용출이 현격히 감소해 고출력 성능을 안정적으로 뒷받침하게 됐다.

장기 내구성 검증에서도 압도적인 안정성을 증명했다. 급속 충·방전 조건인 1C 환경에서 400회에 달하는 충·방전을 반복한 후에도 기존 전극을 압도하는 높은 용량을 유지해 뛰어난 장기 사이클 안정성을 입증했다. 연구팀은 pH 지시약을 활용한 실시간 광학 분석과 XRD, XPS, ICP-MS 등 첨단 분석 기법을 통해 계면 보호막이 전극 부식 부산물 형성을 효과적으로 막아내는 메커니즘을 과학적으로 규명하는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘매터리얼스 투데이(Materials Today, IF=24)’에 게재돼 국제적으로 학술적 가치를 높게 평가받았다. 안건형 동국대 에너지신소재공학과 교수는 “이번 연구는 전극 내부 복잡한 구조를 바꾸지 않고 계면에서 이온의 이동만을 정밀하게 제어해 전지 성능을 끌어올린 새로운 패러다임”이라며 “전력 수요가 급증하는 AI 데이터센터와 대규모 ESS용 차세대 수계 아연이온전지 상용화를 대폭 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

출처 : 스마트경제(http://www.dailysmart.co.kr)