유승호 교수, 새로운 전극 보호층으로 아연 전지 내구성 높인다

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께, 텔루르산(Telluric acid)을 활용한 새로운 전극 보호층을 구현하여 아연(Zn) 수계 배터리의 안정성과 수명을 향상시켰다.

이번 연구성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF=19)’ 온라인에 8월 8일 게재됐다.

*논문명: Side Reaction Pathway Modulation for Hydrogen Evolution-Free Aqueous Zn-Ion Batteries

*DOI: 10.1002/adfm.202512884

*URL: https://doi.org/10.1002/adfm.202512884

아연 수계 배터리는 물 기반의 전해질을 사용해 화재 위험이 적고, 저렴하면서도 높은 용량을 제공한다는 장점을 가진다. 그러나 실제 구동 과정에서 음극이 부식되고 부산물이 쌓이는 등의 치명적인 한계가 있다.

연구팀은 이를 해결하고자 안정적 구조를 지닌 텔루르산을 전해질 첨가제로 적용했다. 전극 표면에 산화아연(ZnO), 이산화텔루르(TeO2), 텔루르(Te)로 이루어진 삼원 복합 인공층이 스스로 형성되도록 한 것이다. 분석 결과, 이 인공층은 바깥쪽에 산화아연과 이산화텔루르가, 안쪽에는 텔루르가 분포하는 견고한 구조로 나타났다.

연구팀은 구현된 인공층이 부산물 형성과 덴드라이트 성장을 억제하고, 전극에 아연이 균일하게 쌓이도록 해 전극 환경을 안정화한다는 사실을 확인했다. 전기화학 분석에서도 부식으로 인한 불필요한 전류와 전극·전해질 간 전하 전달 저항이 크게 줄고, 이온의 이동성은 향상된 것으로 확인됐다. 또한, 이 인공층을 적용한 아연 대칭 전지는 1500시간 이상 안정적으로 구동됐으며, 실제 환경과 유사한 조건에서도 기존 대비 뛰어난 성능을 보였다.

*덴드라이트: 충·방전 과정에서 아연이 고르지 않게 쌓이며 나뭇가지 모양으로 뻗어나가는 결정

고려대 유승호 교수는 “텔루르산 첨가제를 이용해 전극 표면에 삼원 복합 인공층을 스스로 형성하는 방법은 아연 수계 배터리의 약점을 해결한 것”이라며, “이는 차세대 친환경 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술로 기대된다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구)와 개인기초연구 지원을 받아 수행됐다.