왼쪽부터 경북대 나노신소재공학과 김민수 박사과정생, 박상식 교수, 경북대 이차전지인력양성 및 연구센터 원하연 연구원. 사진제공=경북대학교

경북대 연구팀이 친환경 실크 단백질을 활용해 차세대 수계 아연 이온 배터리의 수명을 약 5배 높일 수 있는 기술을 개발했다.

경북대학교는 나노신소재공학과 박상식 교수 연구팀이 실크 피브로인과 폴리비닐알코올(PVA)을 결합한 표면 보호막을 개발해 아연 음극의 성능과 안정성을 크게 향상시켰다고 15일 밝혔다.

수계 아연 이온 배터리는 폭발 위험이 낮고 가격 경쟁력이 높아 리튬 이온 배터리의 대안으로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 덴드라이트와 금속 부식, 수소 가스 발생 등으로 수명이 짧다는 한계를 안고 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 실크 피브로인과 PVA를 복합화한 'SFP 보호막'을 아연 음극 표면에 적용했다. 연구 결과 에탄올 처리 과정을 거친 보호막은 내부 구조가 정렬된 베타 시트(β-sheet) 형태로 변화하면서 아연 이온이 균일하게 쌓일 수 있도록 유도하는 것으로 나타났다.

또 보호막의 기계적 강도와 경도가 향상돼 덴드라이트 성장을 억제하고 음극 표면의 안정성을 높이는 효과도 확인됐다.

성능 평가 결과 기존 아연 음극 배터리는 212회 충·방전 후 급격한 성능 저하가 나타난 반면, SFP 보호막을 적용한 배터리는 1천 회 이상의 충·방전 이후에도 131.4mAh/g의 용량을 유지했다. 배터리 수명이 기존 대비 약 5배 향상된 셈이다.

박상식 교수는 "보호막의 결정화 상태가 아연 음극의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 수계 배터리의 안정성과 성능을 높일 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터 사업과 박사과정생 연구장려금 지원사업, 경북도 앵커사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 저널 오브 파워 소스에 지난 2일 온라인 게재됐다.