[충청뉴스 이성현 기자] 배터리 내부에서 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지목되던 '양성자 반응'을 역발상으로 활용해 에너지를 추가 저장하는 차세대 물 기반 배터리 전극 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박선아 교수 연구팀이 금속과 유기 분자가 연결된 2차원 전도성 금속-유기 구조체(MOF)를 활용해 아연 이온(Zn²⁺)과 양성자(H⁺)를 순차적으로 저장하는 신개념 전극 소재(Cu₃(HHTATP)₂)를 개발했다고 19일 밝혔다.
화재 위험이 없고 가격이 저렴한 수계 아연이온전지는 대규모 에너지저장장치(ESS)의 차세대 후보로 꼽히지만 아연 이온의 큰 전하량과 느린 이동 속도로 인해 고용량·고속 충·방전 구현에 한계가 있었다.
반면 양성자는 이동 속도가 빠르지만 과도하게 반응할 경우 부산물을 형성해 아연 이온의 이동을 방해하는 '방해꾼' 역할을 해왔다.
연구팀은 이러한 양성자 반응을 단순히 억제해야 할 부반응으로 볼 것이 아니라, 유용한 에너지 저장 반응으로 활용할 방법을 고심한 끝에 연구를 시작했다.
연구팀은 전극 내 아민(amine) 작용기를 도입해 아연 이온이 먼저 저장된 후 양성자가 추가 저장되도록 저장 순서를 제어했다.
이는 빈 병에 큰 자갈을 먼저 채운 뒤 고운 모래로 빈틈을 메우는 원리와 같아 전극 효율을 극대화했다.
특히 아민 작용기의 가역적인 아민/이미노(amine/imine) 전이 반응을 통해 양성자가 독립적인 전하 운반체로 작동함을 입증해, 부산물 발생 시점을 제어함으로써 아연 이온 저장에 미치는 부정적 영향을 최소화했다.
개발된 전극 소재는 0.5 A g⁻¹ 조건에서 368.7 mAh g⁻¹의 높은 저장 용량을 기록했다.
특히 충·방전 속도를 16배 높인 조건에서도 초기 용량의 46.9%를 유지했으며, 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 후에도 안정적인 성능을 보였다.
이 과정에서 어떤 이온이 어느 전압 구간에서 저장되는지 규명하고자 다양한 분광 및 구조 분석을 진행했으며, 양성자 저장 시 형성되는 부산물이 가역적으로 생성·소멸하는 메커니즘을 밝혀냈다.
이번 연구는 기존에 성능 저하 요소로 인식되던 양성자의 반응 시점을 제어함으로써 가역적인 에너지 저장원으로 재해석했다는 점에서 높은 평가를 받는다.
이 설계 전략은 다양한 수계 에너지 저장 시스템과 고출력 에너지 저장장치, 대규모 전력 저장 시스템 개발에 폭넓게 적용될 수 있다.
박선아 교수는 “기존에는 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는‘방해꾼’으로 여겨졌던 양성자를 오히려 에너지를 더 저장하는 데 활용할 수 있음을 보여줬다”며 “이번 원리를 다양한 전극 소재에 적용해 더 많은 에너지를 빠르게 저장할 수 있는 배터리를 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
연구팀은 향후 소재의 장기 안정성과 대량 생산 가능성을 검증하고, 실제 재생에너지 연계형 ESS 등 배터리 시스템 수준에서의 성능 평가를 지속할 계획이다.
