【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=전기차 화재와 스마트폰 발열 사고가 잇따르며 ‘안전한 배터리’에 대한 관심이 높아지는 가운데, 물을 전해질로 사용하는 수계아연배터리의 상용화를 가로막던 핵심 난제를 국내 연구진이 해결했다.

▲ 집전체를 친환경 용액으로 처리해 수소 발생을 줄이고 구리-아연 합금 중간층 형성을 유도해 아연의 균일하고 치밀한 성장을 구현하는 기술 개념도.  © 포스텍

포항공과대학교(POSTECH) 친환경소재대학원 배터리공학과 이민아 교수와 권민형 박사 연구팀은 구리 집전체를 친환경 용액에 짧게 담그는 간단한 표면 처리 공정을 통해 수계아연배터리에서 발생하는 수소 기체를 억제하고, 아연의 안정적인 충·방전을 유도하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 Energy Storage Materials 온라인판에 게재됐다.

수계아연배터리는 인화성 유기용매를 사용하는 리튬이온배터리와 달리 화재 위험이 낮고, 음극 소재인 아연이 가격 경쟁력과 높은 용량을 갖춰 차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목받고 있다. 특히 태양광·풍력 등 재생에너지 저장 분야에서 활용 가능성이 크다.

그러나 수계 전해질 환경에서는 아연 환원 과정에서 물이 먼저 분해되며 수소 기체가 발생하는 문제가 있었다. 이 수소는 전극 표면에서 아연이 균일하게 쌓이는 것을 방해해, 금속이 불균일하게 성장하거나 부산물을 생성하는 등 배터리 성능과 수명을 저하시켜 왔다.

연구팀은 기존처럼 전해질을 개량하는 대신, 수소 발생이 시작되는 구리 집전체 표면에 주목했다. 구리 집전체를 ‘공융용매(Deep Eutectic Solvent)’에 담그는 방식으로 표면을 처리한 결과, 기존 산화막이 제거되고 수 나노미터 두께의 유기 보호층이 형성됐다.

이 보호층은 수소 이온의 흡착을 차단해 수소 기체 발생을 근본적으로 억제하는 동시에, 초기 충전 과정에서 구리-아연 합금층이 균일하게 형성되도록 유도해 아연이 판상 구조로 촘촘하게 성장하는 환경을 조성했다.

실험 결과, 해당 방식으로 형성된 아연은 이상적인 수준에 근접한 106%의 치밀도를 보였으며, 결정립 크기도 2μm 이상으로 성장해 구조적 안정성을 확보했다. 성능 지표 역시 아연 사용률 30%에서 누적 용량 5.8Ah/㎠, 50%에서도 2.2Ah/㎠를 기록하며 기존 수계아연배터리 대비 최고 수준을 달성했다.

특히 연구팀은 실험실 수준을 넘어 상용 파우치셀에서도 안정적인 작동을 확인해 기술의 실용화 가능성을 입증했다.

이민아 교수는 “집전체 표면에 반응 선택성을 부여하는 방식으로 수계배터리의 효율 저하 문제를 근본적으로 해결했다”며 “재생에너지 확산으로 에너지저장장치 수요가 급증하는 상황에서 안전성과 경제성을 동시에 갖춘 수계아연배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 STEAM 미래유망융합기술파이오니어사업과 산업통상자원부 산하 한국산업기술진흥원의 산업혁신인재성장지원사업 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

“Commercialization of Water-Based Batteries Closer”… POSTECH Develops Surface Treatment Technology to Control Hydrogen Generation

Amid rising interest in “safe batteries” following a series of electric vehicle fires and smartphone overheating incidents, a team of Korean researchers has solved a key challenge that had been hindering the commercialization of water-based zinc batteries, which use water as an electrolyte.

A research team led by Professor Lee Min-ah and Dr. Kwon Min-hyung of the Department of Battery Engineering at the Graduate School of Eco-friendly Materials at Pohang University of Science and Technology (POSTECH) announced the development of a technology that suppresses hydrogen gas generated in water-based zinc batteries and induces stable charging and discharging of zinc through a simple surface treatment process involving briefly immersing a copper current collector in an eco-friendly solution.

The results of this research have been published in the online edition of the international academic journal Energy Storage Materials.

Unlike lithium-ion batteries that use flammable organic solvents, water-based zinc batteries have a low risk of fire. Furthermore, zinc, the anode material, possesses both price competitiveness and high capacity, making them a focus of attention as next-generation energy storage systems (ESS). In particular, they have significant potential for application in the field of renewable energy storage, such as solar and wind power. However, in aqueous electrolyte environments, there was a problem where water decomposed first during the zinc reduction process, generating hydrogen gas. This hydrogen hindered the uniform deposition of zinc on the electrode surface, leading to uneven metal growth and the formation of byproducts, thereby degrading battery performance and lifespan.

Instead of modifying the electrolyte as in conventional methods, the research team focused on the surface of the copper current collector, where hydrogen generation begins. By treating the surface of the copper current collector by immersing it in a "deep eutectic solvent," the existing oxide film was removed, and an organic protective layer several nanometers thick was formed.

This protective layer fundamentally suppressed hydrogen gas generation by blocking the adsorption of hydrogen ions. At the same time, it induced the uniform formation of a copper-zinc alloy layer during the initial charging process, creating an environment where zinc grew densely in a plate-like structure.

Experimental results showed that the zinc formed using this method exhibited a density of 106%, approaching an ideal level, and the grain size grew to over 2 μm, ensuring structural stability. In terms of performance indicators, the battery achieved the highest level compared to existing aqueous zinc batteries, recording a cumulative capacity of 5.8 Ah/cm² at a zinc utilization rate of 30% and 2.2 Ah/cm² at 50%.

In particular, the research team demonstrated the potential for practical application of the technology by confirming stable operation in commercial pouch cells, going beyond the laboratory level.

Professor Lee Min-ah stated, "We have fundamentally resolved the issue of efficiency degradation in aqueous batteries by imparting reactive selectivity to the surface of the current collector." She added, "In a situation where the demand for energy storage devices is surging due to the expansion of renewable energy, this will become a key technology to accelerate the commercialization of aqueous zinc batteries that possess both safety and economic viability."

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's STEAM Future Promising Convergence Technology Pioneer Project and the Industrial Innovation Talent Growth Support Project of the Korea Institute for Industrial Technology Promotion (KITECH), under the Ministry of Trade, Industry and Energy.