ㅣ‘커켄달 효과’ 활용한 중공 구조 구현으로 성능 및 안정성 강화

순천향대학교 에너지공학과 이영우 교수 연구팀이 성균관대 이주원 교수, 홍익대 박상연 교수 연구팀과 공동으로 차세대 에너지저장장치(ESS)인 수계 아연이온전지의 한계를 뛰어넘을 새로운 양극 소재를 개발했다.

인공지능(AI) 데이터센터와 재생에너지 확대에 따라 대용량 전력 저장 기술 수요가 증가하는 가운데 고안전성 배터리 기술 확보에 새로운 가능성을 제시했다는 평가다. 이번 연구는 에너지 분야 저명 국제학술지인 ‘Carbon Energy(IF 24.2)’에 ‘Kirkendall-Effect-Mediated Hollow Bimetallic Hexacyanoferrates for Aqueous Zn-Ion Batteries: Suppressing Jahn–Teller Distortions and Enhancing Ion Transport and Cyclability’라는 제목으로 게재되며 학계의 주목을 받았다.

연구팀은 ‘커켄달 효과(Kirkendall effect)’를 이용해 내부가 비어 있는 중공(Hollow) 구조의 이종금속 양극 소재(H-NiMnHCF)를 구현했다. 최근 전기차와 에너지저장장치 시장 확대에 따라 리튬이온전지를 대체하거나 보완할 차세대 배터리 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 수계 아연이온전지는 화재 위험이 낮고 원재료 가격이 상대적으로 저렴해 차세대 ESS 후보 기술로 주목받고 있지만, 이온 이동 속도가 느리고 충·방전 과정에서 전극 구조가 손상되는 문제가 한계로 지적돼 왔다.

연구팀이 개발한 소재는 이러한 문제를 효과적으로 해결했다. 니켈을 도입해 망간계 전극에서 흔히 발생하는 ‘Jahn–Teller 왜곡’을 억제함으로써 구조적 안정성을 대폭 높였다. 또한, 중공 구조를 통해 전극과 전해질이 맞닿는 면적을 넓혀 이온 이동 속도를 비약적으로 끌어올렸다.
실제로 성능 평가 결과, 500 mA g⁻¹의 고전류 조건에서도 1000회 충·방전 후 약 90%라는 높은 용량 유지율을 기록하며 장기 안정성을 입증했다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 니켈 도입이 전자 구조를 안정화하는 원리까지 완벽히 규명했다. 무엇보다 젤 전해질 기반의 파우치셀 실험을 통해 실제 극한 환경에서도 안정적으로 작동함을 확인했다. 전지를 굽히거나 절단하고 관통하는 가혹한 상황에서도 안정성을 유지해 실제 응용 가능성을 입증한 것이다.

이영우 교수는 이번 성과가 중공 구조 설계와 이종금속 조성 제어를 결합해 수계 아연이온전지의 구조 안정성과 이온 수송 문제를 동시에 해결한 결과라고 평했다. 이어 그는 이번 연구가 고안전성과 장수명을 갖춘 차세대 에너지저장장치 개발을 위한 새로운 설계 전략이 될 것으로 기대한다고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구실사업과 중견후속연구사업, 핵심연구지원센터조성사업의 지원을 받아 수행됐다.

<커켄달 효과를 활용한 중공 Ni–Mn 헥사시아노페레이트 양극 소재 개발 및 구조적/전기화학적 물성 평가>