차세대 에너지 저장 장치로 주목받는 수계배터리의 고질적 한계를 극복할 새로운 전해질 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 화학공학부 박호석 교수 연구팀은 전해질에 특수 물질을 소량 첨가하는 것만으로 수계배터리의 수명과 용량을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

수계배터리는 리튬이온 전지 대비 원재료 비용이 낮고, 물 기반 전해질을 사용해 안전성과 환경 친화성이 뛰어나 에너지 저장 시스템의 유력한 대안으로 꼽혀 왔다. 그러나 반복적인 충·방전 과정에서 전극 표면에 아연이 불균일하게 석출되거나 전해질 내 물과 부반응을 일으키면서 전지가 빠르게 열화되는 문제가 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '쌍성이온(Zwitterion)'에 주목했다. 쌍성이온은 하나의 분자 안에 양전하와 음전하를 동시에 지니는 물질로, 전기적으로는 중성이지만 주변 이온과의 상호작용을 정밀하게 조절할 수 있다는 특성이 있다.

연구팀이 개발한 쌍성이온 첨가제(C10)는 전해질에 소량 투입됐을 때 분자들이 자발적으로 모여 지름 약 3.77 nm 규모의 나노 구조체를 형성한다. 이 구조체는 두 가지 핵심 역할을 수행한다. 첫째, 아연 이온이 전극 표면에 고르고 안정적으로 달라붙도록 유도해 불균일한 석출을 억제한다. 둘째, 아연 금속 표면을 얇고 균일한 보호막으로 코팅해 물과의 부반응 및 부식을 효과적으로 차단한다.

개발된 전해질을 적용한 수계배터리는 2,800시간 이상 안정적으로 구동되는 초장수명을 달성했다. 고용량 조건에서는 면적 용량 기준 8.10 mAh cm⁻²를 기록하며 현재까지 보고된 수계배터리 가운데 세계 최고 수준에 해당하는 성능을 보였다. 수명과 용량이라는 두 핵심 지표를 동시에 끌어올린 점이 이번 연구의 두드러진 성과다.

박호석 교수는 "고가의 소재나 복잡한 제조 공정 없이, 전해질에 물질을 소량 첨가하는 단순한 방법만으로도 수계배터리의 성능을 대폭 개선할 수 있다는 것을 증명했다"며 "신재생에너지 저장 뿐 만 아니라, 최근 폭발적으로 증가하고 있는 AI, 데이터센터용 대용량 에너지저장시스템(ESS)에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구 및 미래유망융합기술파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 나노기술 분야 국제 학술지 Nano-Micro Letters (IF 36.3, 상위 1%)에 1월 4일자로 게재됐다.

아연이온배터리에서의 C10의 역할 모식도: C10 응집에 의한 국부적 고농도 전해질 형성 및 전기이중층 자가 조립을 통한 균일한 아연 전착 유도 및 부반응 억제