양성자를 추가 에너지 저장원 활용

배터리 성능 저하의 원인으로 여겨졌던 양성자를 추가적인 에너지 저장원으로 활용할 수 있는 새로운 전극 소재가 개발됐다. 이를 통해 더 많은 에너지를 저장하면서도 빠르게 충·방전할 수 있는 차세대 수계 아연이온전지 상용화 가능성을 높였다.

KAIST는 박선아 화학과 교수 연구팀이 금속과 유기 분자가 연결돼 미세한 구멍을 이루는 2차원 전도성 금속-유기 구조체(Metal–Organic Framework, MOF)를 이용해 배터리 안에서 전기를 저장하는 역할을 하는 아연 이온과 양성자(작고 빠르게 움직이는 입자)를 차례로 저장하는 새로운 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 양성자 반응을 없애는 대신, 아연 이온과 양성자가 저장되는 순서를 조절해 둘 다 에너지 저장에 활용하는 방법을 택했다.

개발한 전극 소재는 0.5 A g⁻¹의 조건에서 368.7 mAh g⁻¹의 높은 저장 용량을 기록했다.

특히 충·방전 속도를 16배 높인 빠른 조건에서도 처음 저장 용량의 절반에 가까운 46.9%를 유지했다.

일반적으로 배터리는 충·방전 속도가 빨라질수록 저장할 수 있는 에너지양이 줄어드는데, 이 전극은 빠른 충·방전에서도 높은 저장 능력을 유지한 것이다. 또한 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 나타냈다.

박 교수는 “이번 연구에서 제시한 설계 전략은 수계 아연이온전지뿐만 아니라 다양한 수계 에너지 저장 시스템에 적용될 수 있다”면서 “특히 빠르게 이동하는 양성자를 추가 전하 운반체로 활용할 수 있다는 점에서 고출력 에너지 저장장치, 대규모 전력 저장 시스템, 차세대 친환경 배터리 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Chem’에 게재됐다. 구본혁 기자


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