동국대학교는 에너지신소재공학과 안건형 교수가 이끄는 연구팀이 수계 아연이온전지(AZIBs)의 성능 저하 원인인 망간(Mn) 용출과 고질량(두꺼운) 전극의 한계를 동시에 해결할 수 있는 새로운 바인더(접착제) 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
최근 인공지능(AI)의 급속한 발전으로 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 수요가 증가하면서 안전성과 경제성을 갖춘 차세대 배터리 기술이 요구되고 있다. 수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 매우 낮고 원재료 가격이 저렴해 차세대 ESS 후보로 주목받고 있다.
하지만 충·방전 반복 시 MnO₂ 양극에 있는 망간 이온이 얀-텔러(Jahn-Teller) 왜곡으로 인해 결정구조가 불안정해지면서 Mn이 전해질로 녹아 나오는 Mn 용출이 발생한다. 이는 배터리 용량과 수명을 감소시킨다. 또한 두꺼운 전극에서 발생하는 낮은 에너지 밀도 역시 상용화를 가로막는 문제로 지적돼 왔다.
최근 인공지능(AI)의 급속한 발전으로 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 수요가 증가하면서 안전성과 경제성을 갖춘 차세대 배터리 기술이 요구되고 있다. 수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 매우 낮고 원재료 가격이 저렴해 차세대 ESS 후보로 주목받고 있다.
하지만 충·방전 반복 시 MnO₂ 양극에 있는 망간 이온이 얀-텔러(Jahn-Teller) 왜곡으로 인해 결정구조가 불안정해지면서 Mn이 전해질로 녹아 나오는 Mn 용출이 발생한다. 이는 배터리 용량과 수명을 감소시킨다. 또한 두꺼운 전극에서 발생하는 낮은 에너지 밀도 역시 상용화를 가로막는 문제로 지적돼 왔다.
연구팀은 배터리 전극 입자를 붙여주는 접착성 고분자인 기존 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 바인더에 아연 이온(Zn²⁺)을 배위(coordination·화학적 결합)시킨 새로운 PVDF/Zn²⁺ 바인더를 개발했다. 해당 바인더는 전극 내부에서 균일한 전극 구조를 형성하는 동시에 MnO₂ 양극의 얀-텔러 왜곡을 완화해 Mn 용출과 균열 발생을 효과적으로 억제한다. 또한 전해질 침투성을 향상해 Zn²⁺ 이온 확산과 전하 전달을 촉진했으며, 전극의 젖음성과 기계적 안정성을 동시에 높여 고질량 전극에서도 우수한 전기화학적 성능을 유지할 수 있게 했다.
특히 약 9.7 ㎎ ㎝⁻²의 높은 질량 로딩 조건에서도 우수한 면적당 용량을 유지했다. 1C(1시간 만에 완전 충전·방전하는 속도) 조건에서 400회 충·방전 후에도 약 0.9 ㎃h ㎝⁻²의 면적 용량을 유지하는 뛰어난 사이클 특성을 나타냈다. 다시 말하면 상용 배터리에 가까운 1㎠당 약 9.7㎎의 MnO₂를 코팅한 두꺼운 전극에서도 높은 저장 용량을 유지했고, 1시간 충·방전 속도로 400번 반복 사용한 뒤에도 저장 용량이 크게 떨어지지 않아 내구성을 입증했다는 얘기다.
또한 기존 PVDF 전극보다 낮은 계면 저항과 빠른 Zn²⁺ 확산 특성을 보여 고출력 구동 환경에서도 우수한 성능을 보였다.
안건형 교수는 “이번 연구는 MnO₂ 양극의 근본적인 열화 메커니즘인 얀-텔러 왜곡과 망간 용출을 동시에 억제할 수 있는 새로운 전극 설계 전략을 제시했다”며 “향후 대용량 ESS와 AI 데이터센터용 차세대 수계 아연이온전지 상용화를 앞당기는 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials·첨단 기능성 소재)’에 지난 5월 13일 게재됐다. 동국대 AI기반 이차전지 소재 연구실 장인성 연구원, 에너지신소재공학과 유근 박사과정생이 공동 제1저자, 안건형 교수가 교신저자로 각각 참여했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속사업, 산업통상부 기술혁신사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
특히 약 9.7 ㎎ ㎝⁻²의 높은 질량 로딩 조건에서도 우수한 면적당 용량을 유지했다. 1C(1시간 만에 완전 충전·방전하는 속도) 조건에서 400회 충·방전 후에도 약 0.9 ㎃h ㎝⁻²의 면적 용량을 유지하는 뛰어난 사이클 특성을 나타냈다. 다시 말하면 상용 배터리에 가까운 1㎠당 약 9.7㎎의 MnO₂를 코팅한 두꺼운 전극에서도 높은 저장 용량을 유지했고, 1시간 충·방전 속도로 400번 반복 사용한 뒤에도 저장 용량이 크게 떨어지지 않아 내구성을 입증했다는 얘기다.
또한 기존 PVDF 전극보다 낮은 계면 저항과 빠른 Zn²⁺ 확산 특성을 보여 고출력 구동 환경에서도 우수한 성능을 보였다.
안건형 교수는 “이번 연구는 MnO₂ 양극의 근본적인 열화 메커니즘인 얀-텔러 왜곡과 망간 용출을 동시에 억제할 수 있는 새로운 전극 설계 전략을 제시했다”며 “향후 대용량 ESS와 AI 데이터센터용 차세대 수계 아연이온전지 상용화를 앞당기는 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials·첨단 기능성 소재)’에 지난 5월 13일 게재됐다. 동국대 AI기반 이차전지 소재 연구실 장인성 연구원, 에너지신소재공학과 유근 박사과정생이 공동 제1저자, 안건형 교수가 교신저자로 각각 참여했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속사업, 산업통상부 기술혁신사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 이뤄졌다.