(왼쪽부터) 유근 학생과 안건형 교수. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교(GNU) 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀은 에너지공학과 4학년 유근 학생이 단독 1저자로 참여한 논문이 화학공학 분야 세계적 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’(IF 13.2, JCR 상위 2.4%) 최신 호(434 (2022) 134738)에 게재됐다고 밝혔다.

논문 제목은 ‘초기 안정화 과정이 필요 없는 아연-이온 배터리용 물이 삽입된 바나듐 산화물 양극 연구(Nano-sized split V2O5 with H2O-intercalated interfaces as a stable cathode for zinc ion batteries without an aging process)이다.

제4차 산업혁명 시대, 모든 것이 연결되는 초연결 시대가 도래함에 따라 적재적소에 에너지를 공급해주는 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)의 사용 용도가 늘어나고 있지만, 화재 및 폭발이라는 치명적인 사고가 계속해서 발생하고 있다.

화재의 주요 원인은 반응성이 높은 리튬 및 가연성의 전해질이다. 아연-이온 배터리는 안정적인 아연금속과 물에 기반한 전해질을 사용하기 때문에 화재·폭발 위험성이 없어 기존의 리튬이온배터리를 대체할 유력 후보군 가운데 하나다. 이러한 장점을 토대로 미국·캐나다에서는 아연-이온 배터리 기술에 기반한 창업 열풍이 불고 있다.

기존 아연-이온 배터리의 양극 후보군으로 많은 에너지를 저장할 수 있는 바나듐 산화물(V2O5)이 제시됐지만, 초기 충전·방전 과정에서 에너지 저장용량이 계속해서 증가하는 과정을 포함하여 실질적으로 전자기기에 적용하기에 어려움이 따랐다. 따라서 안정적인 에너지 저장 특성을 보이는 망간 산화물(MnO2)이 양극으로 주로 사용됐지만, 바나듐 산화물의 ~70%밖에 안 되는 에너지 저장 용량을 가지는 것이 단점으로 여겨졌다.

연구팀은 바나듐 산화물 양극에서 필수적으로 포함되는 초기 충전·방전 문제를 사전에 전기화학적 방법으로 물(H2O)을 바나듐 산화물 층간 격자 내에 포함하는 방법으로 해결했다.

이에 따라 배터리 사용 초기부터 안정적인 에너지 저장 성능과 200회 충전·방전 후 91%의 우수한 용량 유지율을 확보했다. 또 배터리를 접고, 물에 넣고, 자른 후에도 화재 및 폭발이 일어나지 않고 정상적으로 작동하는 시작품을 성공적으로 제작했다.

이 연구는 경상국립대 에너지공학과와 세계적으로 저명한 영국 옥스퍼드 대학교(Dr. Bon-Ryul Koo)와의 공동연구로 수행해 얻은 결과물로, 원천기술을 선점해 학문적으로 시사하는 바가 크다. 또 수행된 연구에 대해 경상국립대학교 기술비즈니스센터의 도움을 받아 국내 특허 출원 절차가 진행 중이며 전문기술에 대한 지식재산권도 확보할 예정이다.

1저자로 참여한 유근 학생은 “항상 좋은 경험과 가르침을 주시는 지도교수님께 감사드린다”며 “이번 연구에서 현재까지 큰 문제가 되는 이차전지의 안전 문제를 해결하기 위해 노력했고 앞으로도 안전한 차세대 이차전지를 개발하기 위해 노력할 것이다”고 말했다.

안건형 교수는 “최근 ‘ESS의 화재·폭발’이라는 문제점을 해결할 수 있는 원천기술을 국내 기술로 개발한 것으로, 폭발·화재의 위험이 없는 안전한 차세대 배터리로서 주목받을 것으로 기대된다”며 “학부생이 연구에 참여해 석·박사과정생들과 함께 공동저자로 SCI 국제학술지에 논문을 게재한 사례는 드물게 있으나, 이처럼 학부생이 수업과 병행하며 스스로 연구를 수행해 SCI급 학술지에 1저자로 논문을 게재하는 경우는 흔하지 않다. 미래가 기대되는 연구자다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.