석박사통합과정 유근 학생, 경상국립대 에너지공학과 안건형 교수. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 에너지공학과 안건형 교수 연구팀은 초박막 코팅 방법을 통해 수계 아연-이온 전지용 고안정성 금속 음극을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 연구는 에너지시스템공학과 석박사통합과정 유근 학생이 제1 저자로 참여해 에너지 분야 세계적 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신 호에 게재됐으며, 해당 호의 ‘뒤표지’에도 선정됐다.

논문 제목은 ‘수계 아연 이온 배터리의 안정성 향상을 위한 금속 음극 표면 초박막 코팅을 통한 다기능 아연-바나듐 산화물 층 형성 연구’이다.

수계 아연-이온 전지(ZIB)는 아연 음극의 낮은 환원 전위, 높은 부피 용량, 우수한 안전성, 친환경적 특성, 그리고 경제성으로 리튬 이온 전지(LIB)의 대안으로 주목받고 있다. 특히, 아연은 풍부한 자원성과 무독성으로 지속 가능하고 대규모 확장이 가능한 에너지 저장 기술에 적합한 소재로 알려져 있다.

그러나 실제 적용에서는 아연 음극에서 발생하는 덴드라이트 형성, 부식, 전해질 손실 등이 주요 문제로 작용하고 있다. 덴드라이트는 전지 내부에서 단락을 일으킬 위험이 있으며, 부식은 전지 성능 저하와 수명 단축의 원인으로 작용해 ZIB의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있기 때문이다.

이를 개선하기 위해 안건형 교수 연구팀은 초박막 표면 코팅 기술을 이용해 아연 음극 표면에 아연 바나듐 산화물(ZVO) 층을 형성하는 혁신적인 접근법을 제시했다. 이렇게 제작된 ZVO 코팅 아연 음극(ZVO@Zn)은 기존의 아연 음극에서 발생하는 주요 문제를 효과적으로 해결하며, ZIB의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시키는 것으로 확인됐다.

또한 ZVO@Zn 음극은 대칭 셀 실험에서 2mA/㎠의 전류 밀도 조건에서도 최대 1000시간 동안 안정적인 아연 도금 및 박리 사이클 성능을 유지했다. 이는 기존 아연 음극이 짧은 사이클 수명과 급격한 성능 저하를 보이는 것과 비교해 현저히 개선된 결과다. 이러한 성과는 VO층이 아연 음극 표면에서 발생하는 부반응, 특히 부식 및 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증했다.

이번 연구의 결과는 VO층이 아연 음극의 전기화학적 안정성을 강화하고, ZIB의 사이클 수명과 성능을 대폭 개선할 수 있어 ZIB의 상용화 가능성을 높이는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 논문의 제1 저자인 경상국립대 석박사통합과정 유근 학생은 “아연 음극의 안정성과 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 연구에 기여하게 돼 매우 의미 있는 경험이었다. 특히, 초박막 ZVO 코팅 기술을 통해 아연-이온 전지의 주요 문제를 해결하고 상용화를 위한 실질적인 가능성을 제시했다는 점에서 학문적, 산업적 의의를 동시에 확인할 수 있었다”라며, “이번 성과는 지도교수님과 연구팀의 협력과 끊임없는 노력이 만들어 낸 결과로, 앞으로도 차세대 에너지 저장 기술의 발전에 기여할 수 있는 연구를 지속해서 수행하겠다”라고 연구에 대한 포부를 밝혔다.

연구책임자인 안건형 교수는 “수계 아연-이온 전지는 음극으로 사용되는 아연 금속의 수지상 결정 형성과 부식으로 인한 전지 내부의 저항 증가, 그로 인한 성능 저하, 심한 경우 전지가 완전히 고장 나는 문제가 있다. 이번 연구는 대면적 초박막 코팅이 가능한 음극 보호층 기술로서 아연-이온 전지의 산업화 진출을 위한 핵심기술이며 이를 통해 신재생에너지와 연계된 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용하는 것이 최종 목표”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단에서 주관하는 ‘중견연계 신진후속연구’ 사업과 연구개발특구진흥재단의 ‘지역혁신 메가프로젝트’ 사업으로 수행했다.