KAIST, 양성자 활용한 차세대 배터리 소자 개발

배터리의 '방해꾼'으로 여겨졌던 양성자가 오히려 에너지 저장의 열쇠가 됐다. KAIST 화학과 박선아 교수 연구팀은 2차원 전도성 금속-유기 구조체(MOF)를 활용해 아연 이온과 양성자를 순차적으로 저장하는 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구는 물 기반 전해질을 쓰는 수계 아연이온전지의 저장 용량과 충·방전 성능을 동시에 높이는 접근법을 제시했다.

수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 쓰기 때문에 화재 위험이 낮고 가격이 저렴하며 환경 부담도 적어 대규모 에너지저장장치(ESS)용 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만 아연 이온은 전하가 커 전극 내부에서 빠르게 움직이기 어렵다는 약점이 있었다. 반면 크기가 작고 빠르게 움직이는 양성자는 과도하게 반응하면 부산물을 만들어 아연 이온의 이동을 가로막았다. 이 때문에 기존 연구는 양성자의 반응을 억제하는 데 초점을 맞춰왔다.

연구팀은 이 같은 접근법을 뒤집었다. 양성자를 차단하는 대신 아연 이온과 양성자의 저장 순서를 조절해 두 이온을 모두 에너지 저장에 활용한 것이다. 전극의 미세한 구멍 안에 양성자를 붙잡는 아민 작용기를 도입해 특정 전압에서 양성자가 저장되도록 설계했다. 그 결과 전압이 높은 구간에서는 아연 이온이 먼저 저장되고, 전압이 낮아지면 양성자가 추가로 저장되는 구조가 구현됐다. 큰 아연 이온을 먼저 저장하고 남은 공간을 작은 양성자로 채워 전극의 저장 효율을 끌어올렸다. 특히 양성자가 먼저 반응하며 생기는 부산물을 줄여 두 이온의 저장 과정이 서로 방해하지 않도록 한 점이 핵심이다. 연구팀은 다양한 X-선 분석을 통해 아연 이온이 먼저 저장되고 양성자가 뒤이어 저장되는 과정과 양성자의 저장·방출이 반복 가능하다는 점도 확인했다.