1만회 충·방전에도 성능 유지
동국대학교 에너지신소재공학과 민성욱 교수와 한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 김병현 교수, 포항가속기연구소 김영용 박사로 구성된 국내 연구팀이 고용량과 장수명을 갖춘 수계 아연 이온 배터리(Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs) 구현을 위한 신규 바나듐(V) 기반 양극 소재를 개발했다.
연구팀은 기존 바나듐 오산화물 구조에 소듐 이온을 사전 삽입하는 새로운 방식을 도입했다. 또한 초음파 기반 단일 공정(sonochemical synthesis)을 통해 NaVO라는 새로운 양극 소재를 구현하는 데 성공했다.
소듐 이온은 바나듐 층간 구조를 지지하는 일종의 ‘구조적 지지대’ 역할을 하며, 층간 간격을 최대 8.4nm까지 넓히면서도 구조적 안정성을 유지한다. 그 결과 아연 이온이 보다 원활하게 삽입·추출될 수 있어, 장기적인 구조 안정성과 높은 성능을 동시에 확보할 수 있게 됐다.
연구팀이 개발한 NaVO//Zn 배터리 셀은 고전류 밀도 조건에서도 126.3 mAh의 용량을 기록했으며, 1만회 이상의 충·방전 사이클 후에도 91.8%의 용량 유지율을 보였다. 이는 기존 바나듐 오산화물 기반 배터리 대비 1.68배(고율 특성), 1.99배(장수명) 이상 향상된 수치다.
이 같은 성과는 실험적 분석과 함께 DFT(계산재료과학) 시뮬레이션을 통해 검증됐다. 아연 이온의 삽입·추출 과정에서 바나듐의 산화 상태가 유연하게 변화하며, 소듐 전처리로 강화된 층간 구조가 시너지 효과를 일으켜 고율 충·방전과 탁월한 장기 내구성을 동시에 달성한 것으로 밝혀졌다.
연구를 주도한 민성욱 교수는 “소듐 이온을 이용해 바나듐 기반 소재의 내부 구조를 미리 안정화하는 전략은 기존 V2O5의 단점을 보완하는 혁신적인 방법”이라며 “고성능 수계 아연 이온 배터리를 구현함으로써 에너지 저장 장치(ESS), 전기차, IoT 기기 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 높일 수 있을 것”이라고 밝혔다.
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한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 오는 28일 게재될 예정이다.
최영찬 기자 elach1@asiae.co.kr
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