KAIST 박선아 교수팀, 아연 이온과 양성자를 차례로 저장하는 수계 배터리 전극 소재 개발

배터리 ‘방해꾼’으로 여겨진 양성자를 추가 에너지 저장에 활용… 화학 학술지 Chem 게재

물을 전해질로 사용하는 배터리는 화재 위험이 비교적 낮고 가격도 저렴하지만, 많은 에너지를 빠르게 저장하기 어렵다는 한계가 있었다. 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 아연 이온(Zn²⁺)과 작고 빠르게 움직이는 입자인 양성자(H⁺)를 차례로 저장하는 새로운 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

수계 아연이온전지는 물을 기반으로 한 전해질을 사용하는 배터리로, 불이 붙을 위험이 비교적 낮고 가격이 저렴하며 환경 부담도 적어 대규모 에너지저장장치(ESS)의 차세대 후보로 꼽힌다. 다만 아연 이온은 전하가 커 전극 안에서 빠르게 움직이기 어려워 고용량과 고속 충·방전을 동시에 구현하기 어려웠고, 양성자는 작고 빠르게 움직이지만 너무 많이 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온의 이동을 방해하기 때문에 지금까지는 성능을 떨어뜨리는 ‘방해꾼’으로 여겨져 반응을 억제하는 데 초점이 맞춰져 왔다.

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) 작용기를 넣어, 특정 전압에서 양성자가 저장되도록 설계했다. 이를 통해 아연 이온이 먼저 저장되고 그다음 양성자가 추가로 저장되도록 했다.

원리는 빈 병에 큰 자갈을 먼저 넣고 자갈 사이의 빈틈을 고운 모래로 채우는 것과 비슷하다. 비교적 큰 아연 이온을 먼저 저장하고 이후 작은 양성자를 추가로 저장해 하나의 전극을 더 효율적으로 활용하는 방식이다. 연구팀이 개발한 전극 소재 Cu₃(HHTATP)₂에서는 전압이 높은 구간에서 아연 이온이 먼저 저장되고, 전압이 더 낮아지면 양성자가 추가로 저장되는 것이 확인됐다. 양성자가 너무 일찍 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온의 이동을 방해할 수 있는데, 아연 이온이 먼저 저장된 뒤 양성자가 반응하도록 해 두 저장 과정이 서로 방해하는 것을 줄였다.

개발한 전극 소재는 0.5 A g⁻¹ 조건에서 368.7 mAh g⁻¹의 높은 저장 용량과 285.9 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도를 기록했다. 충·방전 속도를 16배 높인 8 A g⁻¹ 조건에서도 초기 저장 용량의 46.9%를 유지했다. 일반적으로 배터리는 충·방전 속도가 빨라질수록 저장할 수 있는 에너지양이 줄어드는데, 이 전극은 빠른 충·방전에서도 상당한 저장 능력을 유지한 것이다. 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 보였다.

연구팀은 다양한 X-선 분석법을 통해 아연 이온이 먼저 저장되고 이후 양성자가 추가로 저장되는 과정을 확인했으며, 양성자를 저장했다가 다시 내보내는 과정이 반복될 수 있다는 사실도 밝혀냈다. 분광학 및 구조 분석 결과, 아연 이온 저장은 주로 유기 리간드와 구리의 산화·환원 반응을 통해 진행되고, 이후 더 낮은 전압 영역에서 아민·이미노 전환 반응을 통한 가역적인 양성자 저장이 일어나는 것으로 나타났다.

이번 연구는 다공성 전극 소재에서 고용량과 빠른 이온 수송을 동시에 구현하기 어렵다는 한계를 극복했다는 점에서 의미가 있다. 분자 수준의 설계를 통해 서로 다른 이온이 저장되는 순서를 제어할 수 있음을 보여줌으로써, 안전하고 경제적인 수계 아연이온전지가 더 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충·방전할 수 있는 새로운 설계 방법을 제시했다. 향후 대규모 에너지저장장치 등에 활용되는 물 기반 배터리의 성능을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

박선아 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.

POSTECH 박근찬 석박통합과정생과 이규원 석사과정생(졸업)이 공동 제1저자로, 김강민 학생이 제2저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지 ‘Chem’에 7월 7일 자에 게재됐다. 논문명은 ‘Sequential Zn²⁺–H⁺ Storage in a 2D Conductive Metal-Organic Framework for Advanced Aqueous Zinc-Ion Battery’이며, 박선아 교수가 교신저자를 맡았다. 연구는 한국연구재단 기초연구사업 및 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

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