"물 붓고 굳히면 4100시간 안정"...수계 아연전지 상용화 임박

배터리 전해질에 가루를 섞기만 하면 저절로 젤리처럼 굳는 새로운 기술이 개발됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 김연수 교수, 화학과 박수진 교수 연구팀이 부산대 나노융합기술학과 강준희 교수 연구팀과 함께 복잡한 화학 반응이나 고온 공정 없이도 스스로 단단해지는 전해질을 개발했다고 5일 밝혔다.

전기차와 에너지 저장 장치 수요가 늘면서 수계 아연(Zn) 전지가 주목받고 있다. 물을 전해질로 사용해 안전하고 원가 부담이 적지만, 사용 중 아연 전극에 나뭇가지 모양 결정이 자라거나 부식이 발생해 수명이 짧았다. 기존에는 액체 전해질을 젤처럼 굳히는 방식이 연구됐지만, 화학약품이나 열이 필요해 공정이 복잡하고 전극 손상 가능성이 있으며, 무질서한 젤 구조가 아연 이온 이동을 방해하는 한계도 있었다.

연구팀은 기존 수계 아연전지의 액체 전해질인 황산아연(ZnSO4) 수용액에 SBMA(설포베타인 메타크릴레이트)라는 특수 분자를 섞기만 해도 상온에서 저절로 젤이 형성된다는 사실을 발견했다. 아연 이온이 분자를 자극해 서로 촘촘히 연결되도록 만들며, 우유에 식초를 넣으면 굳는 것과 비슷한 원리로 약 30분 만에 단단한 젤이 완성된다.

이번에 개발된 전해질은 초기에는 액체처럼 전극 사이를 빈틈없이 채우다가, 조립 이후 자연스럽게 굳어 안정적인 내부 구조를 형성한다. 추가 열처리나 특수 환경이 필요 없어 제조 공정이 단순해지고, 전극 손상 가능성도 낮다.

실험 결과, 이 전해질을 적용한 전지는 4100시간 동안 안정적으로 작동했으며, 영하 10℃에서도 문제없이 구동됐다. 100번 충·방전 뒤에도 처음 용량의 96%를 유지했다. 불필요한 화학 반응이 줄고 이온 이동 통로가 균일하게 형성된 덕분이다.

이번 성과는 안전성과 가격 경쟁력을 갖춘 수계 아연전지 상용화를 앞당길 기술로 평가된다. 공정이 단순해지면 대량 생산과 비용 절감이 가능해지고, 전기차와 에너지저장장치 등 다양한 분야로 확장될 수 있다.

POSTECH 신소재공학과 김연수 교수는 "화학 개시제나 열처리, 특수 환경 없이 상온·대기에서 구현되는 이 전략은 배터리 성능과 공정 효율을 동시에 잡은 새로운 설계"라며 "아연 이온이 단량체의 전자구조를 바꿔 반응성을 높이는 동시에 뭉치게 만드는 메커니즘을 규명한 것이 핵심"이라고 전했다.

POSTECH 화학과 박수진 교수는 "안전성과 비용 경쟁력이 중요한 수계 아연 전지의 실용화를 앞당기기를 바란다"라며 "다양한 단량체에 적용하고 다른 수계 금속 전지로도 확장할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 안전하지만 수명이 짧았던 '수계 아연전지' 한계를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대를 모으며, 소재 분야 국제 학술지 중 하나인 '스몰(Small)'에 게재됐다.