한국과학기술연구원(KAIST·총장 배충식)이 에너지를 더 많이 저장하면서, 빠른 충·방전이 가능한 '차세대 물 기반 배터리' 구현 가능성을 열었다. 많은 에너지를 빠르게 저장하기 어려웠던 수계 아연이온전지의 한계를 극복했다.
KAIST는 박선아 화학과 교수팀이 금속과 유기 분자가 연결돼 미세 구멍을 이루는 2차원 전도성 금속-유기 구조체(MOF)를 이용, 배터리 안에서 전기를 저장하는 역할을 하는 아연 이온과 양성자를 차례로 저장하는 새로운 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.
수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용하는 배터리다. 화재 위험이 비교적 낮고 가격이 저렴하며 환경 부담도 적다. 대규모 에너지저장장치(ESS)의 차세대 후보로 주목받는데, 아연 이온은 전하가 커 전극 안에서 빠르게 움직이기 어렵다. 많은 에너지를 저장하면서 빠르게 충·방전하는 데 한계가 있다.
반면 양성자는 작고 빠르게 움직이지만, 너무 많이 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온 이동을 방해한다. 지금까지 양성자는 배터리 성능을 떨어뜨리는 '방해꾼'으로 여겨져 반응을 억제하는 데 초점을 맞춰왔다.
연구팀은 발상을 바꿨다. 양성자 반응을 없애는 대신, 아연 이온과 양성자가 저장되는 순서를 조절해 둘 다 에너지 저장에 활용하는 방법을 택했다.
전극의 미세한 구멍 안에 양성자를 붙잡는 일종의 '저장 자리'인 아민 작용기를 넣었다. 아민 작용기가 특정 전압에서 양성자를 저장하도록 설계함으로써 아연 이온이 먼저 저장되고, 그다음 양성자가 추가로 저장되도록 한 것이다.
또 양성자가 너무 일찍 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온의 이동을 방해할 수 있는데, 연구팀은 아연 이온이 먼저 저장된 뒤 양성자가 반응하도록 해 두 저장 과정이 서로 방해하는 것을 줄였다.
이에 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, 이번 전극은 빠른 충·방전에서도 상당한 저장 능력을 유지한 것이다. 또 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 보였다.
이번 연구는 다공성 전극 소재에서 고용량과 빠른 이온 수송을 동시에 구현하기 어렵다는 한계를 극복했다는 점에서 의미가 크다. 차세대 수계 아연 이온 전지 개발에 새로운 방향을 제시했다.
박선아 KAIST 교수는 “기존에는 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는'방해꾼'으로 여겨졌던 양성자를 오히려 에너지를 더 저장하는 데 활용할 수 있음을 보여줬다”며 “이번 원리를 다양한 전극 소재에 적용해 더 많은 에너지를 빠르게 저장할 수 있는 배터리를 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 화학 분야 국제 학술지 Chem에 7월 7일 자로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
