“에너지 저장량↑” KAIST, 수계 아연이온배터리 설계기술 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 배터리 성능 저하의 원인으로 여겨졌던 양성자를 추가적인 에너지 저장원으로 활용할 수 있는 새로운 전극 소재가 개발됐다.

이를 통해 더 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충·방전할 수 있는 차세대 수계 아연이온전지 상용화 가능성을 높였다.

KAIST는 화학과 박선아 교수 연구팀이 금속과 유기 분자가 연결돼 미세한 구멍을 이루는 2차원 전도성 금속-유기 구조체(Metal–Organic Framework, MOF)를 이용해 배터리 안에서 전기를 저장하는 역할을 하는 아연 이온과 양성자(작고 빠르게 움직이는 입자)​를 차례로 저장하는 새로운 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

수계 아연이온전지는 물을 기반으로 한 전해질을 사용하는 배터리다. 전해질은 배터리 안에서 이온이 이동할 수 있도록 돕는 물질이다. 수계 아연이온전지는 불이 붙을 위험이 비교적 낮고 가격이 저렴하며 환경 부담도 적어, 많은 전기를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓰는 대규모 에너지저장장치(ESS)의 차세대 후보로 주목받고 있다.

아연 이온은 전하가 커 전극 안에서 빠르게 움직이기 어려워, 많은 에너지를 저장하면서 빠르게 충·방전하는 데 한계가 있다. 반면 양성자는 작고 빠르게 움직이지만, 너무 많이 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온의 이동을 방해한다. 이 때문에 지금까지 양성자는 배터리 성능을 떨어뜨리는 ‘방해꾼’으로 여겨져 반응을 억제하는 데 초점을 맞춰왔다.

연구팀은 양성자 반응을 없애는 대신, 아연 이온과 양성자가 저장되는 순서를 조절해 둘 다 에너지 저장에 활용하는 방법을 택했다.

이를 위해 전극의 미세한 구멍 안에 양성자를 붙잡는 일종의 ‘저장 자리’인 아민(amine) 작용기​를 넣었다. 아민 작용기가 특정 전압에서 양성자를 저장하도록 설계함으로써 아연 이온이 먼저 저장되고, 그다음 양성자가 추가로 저장되도록 한 것이다.

실제 전압이 높은 구간에서는 아연 이온이 먼저 저장되고, 전압이 더 낮아지면 양성자가 추가로 저장됐다. 연구팀이 개발한 전극 소재 Cu₃(HHTATP)₂에서는 이처럼 아연 이온과 양성자가 서로 다른 전압 영역에서 차례로 에너지 저장에 참여했다.

개발한 전극 소재는 0.5 A g⁻¹의 조건에서 368.7 mAh g⁻¹의 높은 저장 용량을 기록했다. 쉽게 말해 적은 양의 전극 소재로도 많은 전기를 저장할 수 있다는 의미다.

특히 충·방전 속도를 16배 높인 빠른 조건에서도 처음 저장 용량의 절반에 가까운 46.9%를 유지했다. 일반적으로 배터리는 충·방전 속도가 빨라질수록 저장할 수 있는 에너지양이 줄어드는데, 이 전극은 빠른 충·방전에서도 높은 저장 능력을 유지한 것이다. 또한 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 나타냈다.

박선아 교수는 “이번 연구에서 제시한 설계 전략은 수계 아연이온전지뿐만 아니라 다양한 수계 에너지 저장 시스템에 적용될 수 있다”면서 “특히 빠르게 이동하는 양성자를 추가 전하 운반체로 활용할 수 있다는 점에서 고출력 에너지 저장장치, 대규모 전력 저장 시스템, 차세대 친환경 배터리 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Chem’에 게재됐다.