연구성과

화학 박수진 · 신소재 김연수 교수팀, 양쪽성 이온의 마법, 전지 수명 늘렸다

2023-11-24 286

[박수진 · 김연수 교수 공동 연구팀, 에너지 저장 시스템 아연 전지 내구성 향상]

뒤뚱뒤뚱 땅 위를 걷는 모습이 매력적인 펭귄은 바다에서도 자유롭게 헤엄칠 수 있다. 육지와 바다 생활이 모두 가능한 펭귄처럼 ‘양쪽성 이온(zwitterion)’ 분자는 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 갖고 있어 산성과 염기성 환경에서 안정하다. 최근, 이 양쪽성 이온 분자를 활용해 전지의 수명을 늘린 흥미로운 연구가 있다.

화학과 박수진 교수 · 신소재공학과 김연수 교수 · 한임경 박사 · 융합대학원 첨단재료과학부 통합과정 이상엽 씨 연구팀은 양쪽성 이온 분자로 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 수계 아연(Zn) 전지의 내구성을 높였다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.

에너지 저장 시스템은 2차 전지를 사용해 재생에너지를 저장한 후 필요할 때 사용하는 장치다. 보통 배터리로 리튬(Li) 전지를 사용하는데, 유기성 용매를 기반으로 한 이 전지는 가격이 비싸고, 화재와 폭발의 위험이 있다. 최근 물을 전해질로 사용하여 안전하고, 저렴하면서도 풍부한 아연을 기반으로 한 전지가 주목받고 있으나 충 · 방전을 반복하는 경우 내구성이 급격하게 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 양쪽성 이온 분자인 폴리설포베타인 메타크릴레이트(이하 SBMA, poly sulfobetaine methacrylate)를 사용했다. 이 분자에 다양한 양의 황산아연(ZnSO4) 염을 녹여 겔(gel) 형태의 전해질을 만들었다.

그 결과, 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 가진 SBMA와 황산아연 이온 (Zn2+, SO42-) 사이에 견고한 결합이 형성되었으며, 전해질의 농도가 증가할수록 균일하게 이온이 분포되며 전지의 안정성이 높아졌다. 황산아연 염을 5 mol/kg 사용했을 때, 아연 전지는 3,600시간 동안 충 · 방전을 반복한 후에도 안정적으로 작동하며 높은 내구성을 보였다.


이번 연구를 이끈 박수진 교수는 “아연 전지의 내구성 향상 연구에 새로운 방향성을 제시했다”며, “저렴할 뿐 아니라 제조 과정도 간단한 아연 전지가 앞으로 더욱 더 많은 분야에서 활용될 것”이라고 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 우수신진 연구사업의 지원으로 진행됐다.