국내 연구진이 고안전성·저비용 차세대 이차전지로 주목받는 수계배터리의 핵심 기술인 기능성 전해질 첨가제를 개발했다.
한국연구재단은 성균관대학교 박호석·조새벽 교수 연구팀이 입체이성질체 기반의 전해질 첨가제를 설계하고, 이를 활용한 고용량·장수명 수계배터리용 전해질 개발에 성공했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월 10일자에 게재됐다.
최근 데이터센터와 에너지저장시스템(ESS) 등 대형 전력 저장 수요 증가에 따라 고용량·고안전성·저비용 배터리 개발이 활발하다. 특히 비리튬계 금속인 아연은 높은 이론 용량과 풍부한 자원량, 수계 전해질에서의 증착 가능성으로 주목받고 있다.
그러나 아연 음극은 불균일한 증착, 금속 부식, 수소 발생 등으로 충·방전 효율과 수명이 낮다는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 자연계에 존재하는 입체이성질체인 푸마르산(fumaric acid)과 말레산(maleic acid)의 전자 구조와 분자 배열 차이에 주목했다.
세균의 세포막 구조에서 착안해, 입체이성질체인 시스-말레산(Cis-MA)과
트랜스-푸마르산(Trans-FU)의 수소결합 특성을 비교 분석한 뒤, 이를 전해질 첨가제로 활용해 수계배터리의 계면 반응을 제어한 과정을 나타낸 개념도.
시스 구조는 분자 내·분자 간 수소결합을 유도해 더 복잡한 상호작용을 가능하게 하고, 트랜스 구조는 안정적인 계면 채널 형성에 유리하다. 이를 통해 아연 음극의 균일한 증착, 덴드라이트 억제, 부식 및 수소 발생 감소 등 전지 성능 향상이 검증되었다.
[자료=성균관대 박호석·조새벽 연구팀 / Nature Communications 제공]
연구진은 이 두 이성질체를 활용해 다기능 전해질 첨가제를 개발하고, 전해액의 용매화 구조 및 전극 계면 특성을 동시에 제어하는 방식으로 아연 증착의 가역성과 안정성을 확보했다. 실험 결과, 쿨롱 효율 99.9% 이상, 수명 6000시간 이상을 달성했고, 고용량 100 mAh/g에서 1000회 이상 충·방전이 가능함을 확인했다.
또한, 구리 집전체만을 사용한 무음극 방식에서도 안정적인 증착을 구현해, 무음극 전지 완전 셀에서 270회 수명 안정성을 확보했다. 연구진은 펨토초 레이저 분광학 등 고도 분석기술을 통해 첨가제 분자 구조가 전해액 내 용매화·탈용매화 과정에 미치는 동역학적 영향도 규명했다.
박호석 교수는 “이번 기술은 기존 배터리 공정 인프라와 호환되며 다양한 차세대 전지에 적용 가능한 경제적 접근법”이라며 “향후 고전압·고용량 양극 소재와 결합해 수계배터리의 에너지밀도를 리튬인산철·소듐이온배터리 수준으로 끌어올릴 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.
■ 핵심 기술 성과 한눈에 보기
📌 입체이성질체 첨가제로 쿨롱효율 99.9%, 수명 6000시간 달성
푸마르산·말레산으로 아연 음극의 증착 안정성 확보
📌 무음극 수계배터리서도 270회 수명 구현
구리 집전체 기반 셀에서 실용화 가능성 입증
📌 기존 공정 호환, 고에너지 수계배터리 확장 기대
리튬·소듐 전지 수준의 에너지밀도 향해 기술 고도화
김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr
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