경상국립대학교(GNU·총장 권순기) 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀(스마트에너지재료연구실, 지도교수)은 대학원 에너지시스템공학과 석사과정 유근 씨가 제1저자로 참여한 논문이 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지 ≪에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)≫(IF 20.4, JCR 상위 4.2%) 최신호에 게재되었다고 밝혔다.

논문 제목은 ‘전해질 첨가제를 통한 안정적인 고성능 아연-이온 전지를 위한 통합 솔루션(Integrated solution for a stable and high-performance zinc-ion battery using an electrolyte additive)’이다.

환경 위기로 인해 지속 가능한 신재생 에너지 기술의 필요성이 대두되고 있다. 특히 풍력 및 태양 에너지와 같은 신재생 에너지 기술의 비중이 증가함에 따라 안정적인 전력망과 예비 전력 확보가 중요해지고 있다. 이에 따라 신재생 에너지 시장의 확대와 함께 간헐적 출력을 관리하는 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS) 시장 또한 동반 성장할 것으로 전망된다. 그러나 기존 리튬-이온 전지를 사용하는 ESS는 열폭주 현상으로 인한 화재나 폭발 등의 문제로 인해 대규모 및 실내 적용에 한계가 존재한다.

아연-이온 전지는 저렴한 가격과 높은 이론 용량, 안정한 아연 금속 및 물 기반의 전해질 사용 등 많은 장점으로 인해 전 세계적으로 많은 관심을 끌었다. 그러나 아연-이온 전지는 아연 음극 표면의 불균일한 덴드라이트 성장과 수소 발생, 부산물 형성 등과 같은 부반응으로 인해 전지 수명을 제한하며, 산성 수계 전해질에 양극 활물질이 용해되어 전지의 구조적 열화로 인해 배터리 분극화, 낮은 용량 및 빠른 용량 감소를 초래한다.

경상국립대 에너지공학과 안건형 교수 연구팀은 아연-이온 전지의 전해질 첨가제로 바나듐(IV) 산화물 황산염(VOSO4)을 도입하여 음극과 양극의 문제를 동시에 해결하는 효율적인 전략을 통해 안정적이며 고성능인 아연-이온 전지를 개발했다.

이 연구는 전해질 첨가제를 사용하여 자발적으로 형성된 아연 바나듐 수화물(ZVO; zinc vanadium hydrate) 층이 핵심기술이다. 결과적으로 아연 음극의 부식 및 수소 발생을 억제하고, 비가역적인 아연 수상 돌기의 형성을 억제하여 사이클링 안정성을 향상시켰다. 또한 양극 활물질의 용해를 억제하여 사이클이 지속되는 동안에도 안정적인 구조를 유지했으며, 양극의 층간 격자 내에 포함된 물(H2O)의 양이 증가하여 전지의 에너지 저장 성능이 향상됐다.

안건형 교수팀은 수계 이차전지 관련 논문 23건, 특허 15건 등 원천기술 및 지식재산권을 확보하여 수계 이차전지의 산업화 진입을 위해 노력하고 있다.

이번 논문의 제1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 유근 씨는 “이번 연구성과가 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지에 게재됨으로써 우리 연구팀의 노력이 결실을 맺은 것 같아 매우 기쁘고 영광으로 생각한다. 이러한 성과는 지속 가능한 미래를 위한 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것이라고 기대한다.”라며 “앞으로도 아연-이온 전지 시스템의 설계와 최적화를 연구하여 실제 산업 응용에 도움이 되는 기술을 개발하고자 노력할 것이다.”라고 말했다.

연구책임자인 안건형 교수는 “수계 전해질 기반의 에너지 저장 기술에서 산업적으로 주목받을 수 있는 발견이며, 이를 토대로 후속 기술 개발을 통해 산업화에 적극적으로 도전할 계획이다.”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.