양성자 흐름 제어해 아연이온전지 수명 개선
핵심 요약
MnO₂ 양극 표면의 계면층이 양성자 침투를 억제하고 아연이온의 선택적 삽입을 촉진했다. 아연이온 확산계수는 약 19배 증가했고 400회 충·방전 뒤에도 기존 전극보다 높은 용량을 유지했다. 전극 내부 구조를 바꾸지 않는 계면 제어 방식으로 AI 데이터센터와 대규모 ESS용 수계전지의 안정성을 높였다.
동국대학교 에너지신소재공학과 안건형 교수와 제1저자인 장인성 연구원은 수계 아연이온전지의 성능 저하를 억제하는 계면 이온 조절 기술을 개발했다. 전극의 벌크 구조를 바꾸는 대신 양극 표면에서 이온 이동을 정밀하게 제어해 반응 속도와 장기 안정성을 함께 높이는 설계 전략이다.
연구팀은 MnO₂ 양극 표면에 ZnV₂O₆ 기반 계면층을 형성한 양성자 우선 흡착 계면(PPAI)을 구현했다. 이 계면층은 양성자를 먼저 흡착해 전극 내부로 과도하게 침투하는 H+를 억제하고 Zn²+의 선택적 삽입을 촉진했다. 적용 전극은 전해질 젖음성이 개선됐고 Zn²+ 확산계수가 약 19배 증가했으며, 전하 전달 저항과 망간 용출도 감소했다. 1C 조건에서는 400회 충·방전 뒤에도 기존 전극보다 높은 용량을 유지했다.
수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 가격 경쟁력을 갖춰 AI 데이터센터와 대규모 에너지저장장치용 후보로 주목받고 있다. 다만 MnO₂ 양극의 구조 불안정과 망간 용출, 양성자와 아연이온의 경쟁적 삽입 반응이 상용화의 장애로 꼽혀 왔다. 연구팀은 브로모크레솔 그린 pH 지시약을 이용한 실시간 광학 분석과 XRD·XPS·ICP-MS 분석으로 PPAI가 양성자 확산과 MnOOH·ZHS 등 비가역 부산물 생성을 줄이는 과정을 확인했다.
이번 성과는 높은 출력 특성과 장기 사이클 안정성을 동시에 확보해 AI 데이터센터와 대규모 ESS용 차세대 수계전지 개발의 기반을 제시했다. 연구 논문은 Materials Today에 ‘Proton-preferential adsorption interface enabling interfacial ion regulation for stable and high-performance aqueous zinc-ion batteries’라는 제목으로 게재됐으며 DOI는 10.1016/j.mattod.2026.103472이다. 연구는 한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 산업통상자원부 기술혁신 사업, 한국전기연구원 기본사업의 지원을 받았다.