포스텍 “불 안 나고, 오래 쓴다”···수계배터리 상용화 길 열려

POSTECH(포항공과대학교) 친환경소재대학원 배터리공학과 이민아 교수와 권민형 박사 연구팀은 구리 집전체를 친환경 용액에 담그는 간단한 표면 처리 공정을 통해 수계아연배터리의 수소 발생을 억제하고, 아연이 안정적으로 충·방전되도록 유도하는 기술을 개발했다. 해당 연구는 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’에 게재됐다.

수계아연배터리는 물을 전해질로 사용해 기존 리튬이온배터리 대비 화재 위험이 낮고, 아연 금속을 활용해 경제성과 용량 측면에서도 강점을 갖는다. 이 때문에 태양광과 풍력 등 재생에너지 저장을 위한 차세대 에너지저장장치(ESS) 후보로 주목받아 왔다.

하지만 충·방전 과정에서 물이 먼저 분해되며 수소가 발생하는 문제가 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다. 이 수소는 아연이 전극에 고르게 쌓이는 것을 방해하고, 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 주요 원인으로 지목된다.

연구팀은 기존처럼 전해질을 개선하는 대신, 반응이 시작되는 구리 집전체의 표면에 주목했다. 특수 용액인 공융용매(Deep Eutectic Solvent)에 구리 집전체를 처리한 결과, 표면의 산화막이 제거되고 나노 두께의 보호층이 형성됐다.

이 보호층은 수소 이온의 흡착을 차단해 수소 발생을 억제하는 동시에, 구리와 아연의 합금층 형성을 유도해 아연이 균일하게 쌓이도록 돕는다.

그 결과, 아연은 이상적인 구조에 가까운 약 106% 수준으로 치밀하게 성장했으며, 결정립 크기도 증가해 충·방전 반복에도 안정적인 구조를 유지했다. 

성능 역시 아연 사용률 30% 조건에서 5.8Ah/㎠의 누적 용량을 기록하는 등 현재까지 보고된 수계아연배터리 중 최고 수준을 달성했다.

특히 이번 기술은 실험실 수준을 넘어 상용 파우치셀에서도 안정적인 작동이 확인돼 산업 적용 가능성을 한층 높였다는 평가다.

이민아 교수는 “집전체 표면에 반응 선택성을 부여해 수계배터리의 효율 저하 문제를 근본적으로 해결했다”며 “재생에너지 확산으로 대형 에너지저장장치 수요가 증가하는 상황에서 안전하고 경제적인 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) STEAM 미래유망융합기술파이오니어사업, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업 (배터리특성화대학원지원사업) 지원을 받아 수행됐다.