에너지신소재공학과 안건형 교수팀, 양극 계면 이온 제어기술 개발
동국대학교(총장 윤재웅)는 본교 에너지신소재공학과 안건형 교수(교신저자)와 장인성 연구원(제1저자)으로 구성된 연구팀이 수계 아연이온전지(Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs)의 성능 저하 원인을 제어할 수 있는 새로운 계면 이온 조절 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 전지의 벌크 구조를 변경하지 않고 계면에서 이온 이동만 정밀하게 제어해 전지 성능을 향상시키는 새로운 설계 전략을 제시했다.
최근 인공지능(AI) 기술의 급속한 발전으로 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 수요가 증가하면서 안전성과 경제성을 동시에 갖춘 차세대 배터리 기술의 필요성이 커지고 있다. 차세대 ESS 후보로 주목받는 수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 가격 경쟁력이 뛰어나지만, MnO2 양극에서 발생하는 구조 불안정성과 망간(Mn) 용출, 그리고 양성자(H+)와 아연이온(Zn2+)의 경쟁적 삽입 반응 등으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 ZnV2O6(ZVO) 기반 계면층을 MnO₂ 양극 표면에 형성하는 PPAI(Proton-Preferential Adsorption Interface)를 개발했다. 계면층은 양성자를 우선적으로 흡착해 전극 내부로의 과도한 H+ 침투를 억제하고 Zn2+의 선택적 삽입을 촉진하며, 이온 확산 속도 향상 및 전하 전달 저항 감소 역할을 수행한다.
연구 결과, PPAI를 적용한 수계 아연이온전지는 기존 전극보다 전해질 젖음성이 크게 향상됐으며, Zn2+ 확산계수가 약 19배 증가하고 전하 전달 저항이 감소해 우수한 반응 속도를 나타냈다. 또한 Mn 용출이 크게 감소하고 장기 충·방전 과정에서도 구조적 열화를 효과적으로 억제해 높은 출력 특성과 우수한 장기 사이클 안정성을 동시에 확보했다. 특히 1C 조건에서 400회 충·방전 후에도 기존 전극보다 높은 용량을 유지하며 뛰어난 내구성을 입증했다.
또한, 연구팀은 브로모크레솔 그린(Bromocresol Green) pH 지시약을 이용한 실시간 광학 분석과 XRD, XPS, ICP-MS 분석을 수행했다. 이를 통해 PPAI가 양성자의 전극 내부 확산을 효과적으로 억제하고, MnOOH·ZHS 등의 비가역 부산물 형성을 감소시키며, Mn 용출 역시 억제한다는 사실을 규명했다.
안건형 교수는 "이번 연구는 전극 내부 구조를 바꾸지 않고, 계면에서 양성자의 거동을 정밀하게 제어하는 새로운 개념의 인터페이스 설계 전략을 제시한 연구"라며 "AI 데이터센터와 대규모 ESS용 차세대 수계 아연이온전지 개발에 중요한 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 Materials Today(IF=24)에 "Proton-preferential adsorption interface enabling interfacial ion regulation for stable and high-performance aqueous zinc-ion batteries(DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103472)라는 제목으로 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속 사업, 산업통상자원부 기술혁신 사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.
최근 인공지능(AI) 기술의 급속한 발전으로 데이터센터와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 전력 수요가 증가하면서 안전성과 경제성을 동시에 갖춘 차세대 배터리 기술의 필요성이 커지고 있다. 차세대 ESS 후보로 주목받는 수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 가격 경쟁력이 뛰어나지만, MnO2 양극에서 발생하는 구조 불안정성과 망간(Mn) 용출, 그리고 양성자(H+)와 아연이온(Zn2+)의 경쟁적 삽입 반응 등으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 ZnV2O6(ZVO) 기반 계면층을 MnO₂ 양극 표면에 형성하는 PPAI(Proton-Preferential Adsorption Interface)를 개발했다. 계면층은 양성자를 우선적으로 흡착해 전극 내부로의 과도한 H+ 침투를 억제하고 Zn2+의 선택적 삽입을 촉진하며, 이온 확산 속도 향상 및 전하 전달 저항 감소 역할을 수행한다.
연구 결과, PPAI를 적용한 수계 아연이온전지는 기존 전극보다 전해질 젖음성이 크게 향상됐으며, Zn2+ 확산계수가 약 19배 증가하고 전하 전달 저항이 감소해 우수한 반응 속도를 나타냈다. 또한 Mn 용출이 크게 감소하고 장기 충·방전 과정에서도 구조적 열화를 효과적으로 억제해 높은 출력 특성과 우수한 장기 사이클 안정성을 동시에 확보했다. 특히 1C 조건에서 400회 충·방전 후에도 기존 전극보다 높은 용량을 유지하며 뛰어난 내구성을 입증했다.
또한, 연구팀은 브로모크레솔 그린(Bromocresol Green) pH 지시약을 이용한 실시간 광학 분석과 XRD, XPS, ICP-MS 분석을 수행했다. 이를 통해 PPAI가 양성자의 전극 내부 확산을 효과적으로 억제하고, MnOOH·ZHS 등의 비가역 부산물 형성을 감소시키며, Mn 용출 역시 억제한다는 사실을 규명했다.
안건형 교수는 "이번 연구는 전극 내부 구조를 바꾸지 않고, 계면에서 양성자의 거동을 정밀하게 제어하는 새로운 개념의 인터페이스 설계 전략을 제시한 연구"라며 "AI 데이터센터와 대규모 ESS용 차세대 수계 아연이온전지 개발에 중요한 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 Materials Today(IF=24)에 "Proton-preferential adsorption interface enabling interfacial ion regulation for stable and high-performance aqueous zinc-ion batteries(DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103472)라는 제목으로 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속 사업, 산업통상자원부 기술혁신 사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.