ETRI⋅성균관대, 빠른 충·방전에도 오래가는 전지 개발

- 차세대 고성능 수계 아연이온전지 핵심기술 개발

- 양극·음극 동시 혁신으로 안전성·고에너지밀도 잡아

국내 연구진이 차세대 안전형 에너지저장장치로 주목받는 수계(水系) 아연이온전지 분야에서 양극과 음극의 핵심 기술을 동시에 개하는 데 성공했다. 

빠른 충전과 방전 시에도 성능 저하를 줄이고 수명을 대폭 늘린 것으로, 차세대 배터리의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

한국전자통신연구원(ETRI)과 성균관대학교 공동 연구진은 수계 아연이온전지의 고질적인 한계로 지적되어온 출력 저하, 전극 구조 손상, 덴드라이트 형성 문제를 동시에 해결할 수 있는 양극·음극 핵심 소재 기술을 각각 개발했다고 밝혔다.

물 기반의 전해질을 사용하는 수계 아연이온전지는 리튬이온전지와 비교해 화재 위험성이 낮고 가격 경쟁력이 높아 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 

그러나 급속 충전과 방전을 반복하면 배터리 성능이 급격히 떨어지고, 전극 구조가 쉽게 손상되는 문제가 있었다. 

또한 전지를 사용하는 과정에서 아연 덴드라이트 현상이 발생해, 전지 내부에서 단락을 일으켜 수명을 단축시키고 고장을 유발하는 점이 상용화의 큰 걸림돌이었다.

연구진은 먼저 양극 분야의 성능 저하 문제를 해결하기 위해, 기존의 아연 이온(Zn2+)만 단독으로 반응하던 방식에서 벗어나 칼륨 이온(K⁺)이 함께 작동하는 ‘이중이온 삽입 구조’를 도입했다.

기존 아연 이온은 전극 내부에서 이동할 때 에너지 장벽이 높아 이동 속도가 느려지는 한계가 있었던 반면, 칼륨 이온은 상대적으로 이동이 자유롭다. 

연구진은 두 이온이 함께 반응하도록 전극을 설계함으로써 이온이 뭉치는 병목 현상을 줄이고, 고속 충·방전 시에도 배터리의 출력 저하와 전압 손실을 효과적으로 개선했다.

여기에 철 기반 폴리아니온(polyanion) 구조를 양극 소재 골격으로 적용해 충·방전 과정에서도 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 설계했다. 

이를 통해 반복 사용 시 발생하는 구조 열화를 크게 줄이며 장기 수명 특성을 향상시켰다.

연구진은 실제 고율 충·방전 환경에서 성능 평가를 진행한 결과, 출력 유지 특성과 장기 안정성이 크게 향상됐음을 확인했다. 

또한 제일원리 계산을 통해 칼륨 이온이 특정 구조에서 더 낮은 이동 장벽을 가진다는 점을 규명해 실험 결과의 이론적 근거도 함께 제시했다.

이어 연구진은 음극 분야의 난제였던 아연 금속의 불균일한 성장 문제를 해결하는 아연 금속 음극 기술도 개발했다. 

기존 수계 아연전지는 충·방전 과정에서 아연이 바늘 형태로 불균일하게 성장하는 덴드라이트 현상이 발생해 전지 수명 저하와 단락 위험이 있었다. 

또한 일반적으로 두꺼운 아연 금속을 과량 사용하는 구조를 사용해 정작 배터리 전체의 에너지밀도가 낮아지는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 블록공중합체(block copolymer) 자기조립 공정을 활용해 금 나노씨드(Au nanoseed) 배열과 환원 그래핀(rGO) 나노층이 결합된 신개념 아연 전착 유도 나노구조화 계면을 구현했다.

개발된 나노구조화 계면은 아연 이온의 이동과 초기 핵생성 과정을 균일하게 유도해 평탄하고 치밀한 아연 성장을 가능하게 하며, 이를 통해 낮은 두께의 아연 음극 제조가 가능했다.

특히 아연의 성장 방향을 안정적인 형태로 제어함으로써 덴드라이트 형성을 근본적으로 억제했다.

이 음극 기술은 3,000시간 이상의 장기 충·방전 환경에서도 안정적으로 동작했으며, 수소 발생과 부산물 형성도 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 

특히 두꺼운 아연 호일 대신 최소량의 아연만 사용하는 초저 N/P 조건(N/P=2)에서도 안정적인 구동이 가능함을 입증했으며, 이를 통해 kg당 156.1 Wh 수준의 높은 에너지밀도를 달성했다.

성균관대학교 김종순 교수는 “빠른 충·방전 과정에서 발생하는 성능 저하와 구조 열화는 수계 아연전지의 대표적 난제였다”며 “이번 연구는 이중이온 삽입 구조를 안정적으로 구현함으로써 속도 특성과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 방향을 제시했다”고 설명했다.

연구책임자인 ETRI 신동옥 박사는 “나노구조화 계면 설계를 통해 아연 금속의 초기 핵생성과 성장 방향을 동시에 제어함으로써 덴드라이트 없는 안정적인 아연 음극을 구현했다”며 “향후 고에너지밀도와 장수명을 동시에 요구하는 차세대 수계 이차전지 시스템에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구진은 앞으로 전해질 조성, 전극 미세구조 및 셀 설계를 추가 최적화하고, 파우치셀 기반 실증 연구를 통해 실제 응용 가능성을 검증할 계획이다. 

한편 이번 연구 성과 가운데 양극 소재 연구는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 2025년 10월 게재됐으며, 음극 소재 연구는 나노 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 2026년 5월 온라인 게재됐다.

두 연구 모두 ETRI 신동옥 박사와 성균관대학교 김종순 교수가 교신저자로 참여했으며, ETRI 창의도전 이음투자 사업의 창의전문연구실 사업 ‘비리튬 자원 기반 차세대 수계형 다가 금속 이온전지 원천기술 개발’ 등의 지원을 받아 수행됐다. <보도자료 본문 끝>