차세대 아연 배터리, GIST · 동국대가 앞당긴다
광주과학기술원(GIST)과 동국대학교 공동연구팀이 차세대 아연 이온 배터리의 성능과 내구성을 획기적으로 개선할 수 있는 원천 기술을 개발했다.
연구팀은 스테인리스강 포일에 그래핀을 균일하게 입힌 전류 집전체를 적용해 아연 이온 배터리의 수명과 안정성을 동시에 높였다고 22일 밝혔다.
이번 아연 이온 배터리 기술은 고온 열처리를 포함한 간단한 롤투롤 공정을 통해 제조되며, 대량 생산에 유리하고 기존 리튬 이온 배터리보다 안전하고 저비용이라는 장점을 가진다.
특히 그래핀을 코팅한 전류 집전체는 부식에 강하고 전도성이 뛰어나 수계 전해질 환경에서도 안정적인 작동을 가능하게 한다.
아연 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 자원 확보가 용이하고, 폭발 위험이 적다.
또, 재생에너지 저장장치(ESS)나 독립형 전력 시스템(오프그리드) 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 친환경 대안으로 주목받고 있다.
하지만 충·방전 반복 과정에서 성능 저하와 부식 문제가 주요한 기술적 과제였다.
연구팀은 그래핀의 고전도성과 기계적 안정성을 활용해 이 문제를 해결했다.
특히 롤투롤 공정으로 긴 스테인리스강 포일에 그래핀을 연속 코팅하고 400℃ 열처리만으로 우수한 내구성과 균일한 성능을 확보했다.
이로써 공정 단순화와 원가 절감, 산업 현장 적용 가능성까지 확보하게 됐다.
실험 결과, 개발된 아연 이온 배터리는 고에너지 밀도 조건에서도 안정적으로 작동했으며, 1,500회 이상 충·방전 후에도 초기 용량의 88.7%를 유지해 상용 리튬 이온 배터리에 필적하는 수명 성능을 입증했다.
이는 아연 이온 배터리의 상용화를 앞당기는 핵심 원천 기술로 평가된다.
연구팀은 GIST 중앙기기연구소의 투과전자현미경(TEM)을 통해 그래핀 코팅층의 원자 구조와 층 분포를 정밀 분석해 최적 조건을 도출했다.
이 분석은 그래핀 전극의 성능을 결정짓는 주요 요인을 파악하는 데 결정적 역할을 했다.
이번 기술은 향후 ESS, 가정용 에너지 저장 장치, 전기차, 재생에너지 인프라 등 광범위한 분야에 적용 가능하다.
개발도상국이나 농촌 지역의 독립형 전력 시스템에서도 활용될 수 있는 친환경 에너지 솔루션으로 기대를 모은다.
GIST 조용륜 박사는 “TEM은 단순한 이미지 확보를 넘어, 재료 내부의 원자 배열과 화학적 조성을 동시에 파악할 수 있는 첨단 분석 도구다”며 “그래핀 기반 전극의 구조를 정밀하게 분석함으로써 아연 이온 배터리의 소재 설계와 공정 제어가 더욱 정교해졌다”고 밝혔다.
동국대 안건형 교수는 “이번 기술은 에너지 저장 분야에서 기존 리튬 이온 배터리의 한계를 뛰어넘을 수 있는 대안이다”라며 “지속 가능한 에너지 기술로 에너지 비용 절감과 공급망 안정성 향상에도 크게 기여할 것이다”라고 말했다.
배동현 (grace8366@sabanamedia.com) 기사제보
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