한국 연구진이 나노 첨가제를 활용해 수계(水系) 배터리의 성능 한계를 뛰어넘는 기술 개발에 성공했다. 이번 연구를 통해 기존 배터리 대비 뛰어난 안전성과 경제성을 갖춘 수계 배터리가 2,800시간 이상 안정적으로 작동하고, 세계 최고 수준의 저장 용량을 구현할 수 있게 됐다.

전 세계적으로 기존 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장 기술 개발 경쟁이 치열해지는 가운데, 물 기반 전해질을 사용하는 수계 배터리는 높은 안전성과 친환경성으로 주목받아 왔다. 특히 가연성 유기 전해질 대신 물을 사용함으로써 화재 및 폭발 위험을 크게 낮출 수 있다는 점에서 차세대 에너지 저장장치(ESS)의 유력 후보로 평가받고 있다.

그러나 수계 배터리는 상용화 과정에서 치명적인 한계를 안고 있었다. 충·방전 과정에서 아연(Zn)이 전극 표면에 불균일하게 석출되면서 수지상 결정(dendrite)이 형성되고, 물과의 반응으로 전극 부식이 발생해 배터리 수명과 성능이 급격히 저하되는 문제가 지속돼 왔다.

이 같은 난제를 해결하기 위해 성균관대학교(SKKU) 박호석(Hoseok Park) 교수 연구팀은 최근 국제학술지 **『Nano-Micro Letters』**를 통해 획기적인 해결책을 제시했다.

연구의 핵심은 'C10'으로 명명된 간단한 구조의 양쪽성 이온(amphoteric ion) 전해질 첨가제다. 이 물질은 수용액 내에서 스스로 직경 약 3.77나노미터(nm)에 불과한 초미세 나노 구조체를 형성하며, 동시에 두 가지 핵심 기능을 수행한다.

우선 C10은 아연 이온이 전극 표면에 균일하고 평탄하게 분포·석출되도록 유도하는 역할을 한다. 이를 통해 배터리 성능 저하의 주요 원인으로 꼽히는 비정상적인 금속 결정 형성을 효과적으로 억제할 수 있다.

동시에 C10은 아연 전극 표면에 얇은 보호막을 형성해 물과의 직접적인 접촉을 차단한다. 이 보호층은 부식과 부반응을 억제함으로써 용량 손실을 최소화하고 배터리의 안정성을 크게 향상시키는 역할을 한다.

이처럼 초미세 첨가제 하나를 도입한 결과, 수계 배터리는 이전과 비교할 수 없는 성능 향상을 기록했다.

개선된 배터리 시스템은 2,800시간 이상 연속적으로 안정적인 작동 상태를 유지했으며, 특히 단위 면적당 용량은 8.10 mAh cm⁻²에 달했다. 이는 지금까지 보고된 수계 배터리 연구 가운데 세계 최고 수준의 성능으로 평가된다.

이번 성과는 배터리 개발 분야의 오랜 딜레마를 해소했다는 점에서도 의미가 크다. 기존에는 배터리 수명을 늘리기 위해 저장 용량을 희생하거나, 반대로 용량을 높이기 위해 내구성을 포기해야 하는 경우가 많았다. 하지만 이번 기술은 높은 용량과 장수명을 동시에 확보할 수 있음을 입증했다.

성균관대학교 연구팀의 전해질 기술은 기존 배터리의 핵심 구조를 변경하거나 대규모 생산 공정을 새롭게 구축할 필요가 없다는 점에서 상용화 가능성 또한 높게 평가받고 있다.

특히 인공지능(AI) 데이터센터와 고성능 컴퓨팅 인프라가 급속도로 확대되고, 재생에너지 보급이 증가하는 현시점에서 대규모 에너지저장장치(ESS)에 대한 수요는 폭발적으로 증가하고 있다.

업계에서는 높은 내구성과 우수한 화재 안전성, 낮은 제조 비용이라는 장점을 갖춘 이번 수계 배터리 기술이 향후 초대형 전력 저장 시스템의 핵심 솔루션으로 자리매김할 것으로 기대하고 있다. 미래 에너지 인프라를 지탱할 새로운 '에너지 방패'가 한국 연구진의 손에서 탄생할지 주목된다.

[주석]
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콘텐츠 책임자: 프엉동(Phương Đông) – 행사·홍보위원 – 광주·전남 베트남교민회