- PEO 기반 계면층으로 MnO₂ 양극의 별도 활성화 과정 제거… 고출력·장수명 특성 확보
- Zn2+ 이동 촉진 및 H+ 경쟁 반응 억제… 첫 사이클부터 Zn2+ 중심 반응 구현
- 에너지·화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal 게재

▲ 왼쪽부터 안건형 에너지신소재공학과 교수, 장인성 연구원

동국대학교 에너지신소재공학과 안건형 교수(교신저자)와 장인성 연구원(제1저자)으로 구성된 연구팀이 첫 충·방전부터 아연이온(Zn2+) 중심의 반응을 유도하는 새로운 계면 제어 기술을 개발했다. 이는 수계 아연이온전지(Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs)의 MnO2 양극에서 요구되던 전기화학적 활성화(activation) 과정을 제거한 것으로, 연구팀은 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene Oxide, 이하 PEO) 기반 계면층을 이용해 Zn2+의 이동을 촉진하는 ZIA(Zn2+-Insertion-Accelerated) 양극을 구현했다.

수계 아연이온전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재 위험이 낮아 차세대 대규모 에너지저장장치(ESS) 후보로 주목받고 있지만, 대표적인 MnO2 양극은 Zn2+의 느린 확산으로 인해 초기 활물질 활용도가 낮고 충분한 성능을 확보하기 위해 별도의 활성화 과정이 필요하다는 한계가 있었다. 또한 장기 충·방전 과정에서 발생하는 Mn 용출과 계면 열화는 전지의 출력 특성과 수명을 저하시키는 주요 원인이었다.

연구팀은 MnO2 양극 표면에 PEO 기반 계면층을 형성한 ZIA 양극을 개발해 문제를 해결했다. PEO 계면층은 전극과 전해질 사이의 친화성을 높이고 계면 저항을 낮추며, Zn2+의 이동을 촉진한다. 이를 통해 H+와 Zn2+ 사이의 경쟁적 이동을 억제하고, 기존 MnO2 양극과 달리 별도의 사전 활성화 과정 없이 첫 사이클부터 Zn2+ 중심의 전기화학 반응이 진행되도록 유도했다. 실제 PEO 계면층 적용 후 전해질 접촉각은 기존 양극의 121o에서 37o로 큰 폭으로 감소했으며, 전해질 젖음성이 향상됐다.

또한, 연구팀은 GITT, EIS, XRD 및 XPS 분석을 통해 ZIA 양극의 작동 원리를 규명했다. ZIA 양극은 기존 양극보다 빠른 Zn2+ 이동 특성을 나타냈으며, 특히 Zn2+ 삽입 영역에서 약 한 자릿수 높은 확산계수를 보였다. 또한 비가역적 H+ 삽입과 MnOOH 형성이 억제돼 PEO 계면층이 Zn2+ 중심의 반응과 MnO2 구조 안정화를 유도하는 것을 확인했다.

ZIA 양극은 활성화 과정 없이 0.2C에서 265.7 mAh g-1, 2C에서도 127.8 mAh g-1의 높은 용량을 나타냈으며, 충·방전 후 Mn 용출량도 기존 양극 대비 약 52% 감소했다. 또한 고질량 전극과 300회 충·방전한 파우치셀에서도 향상된 사이클 안정성을 보여 실제 ESS 적용 가능성을 확인했다.

안건형 교수는 “이번 연구는 계면에서 이온 이동을 제어해 별도의 활성화 과정 없이 첫 사이클부터 Zn2+ 중심 반응을 구현한 새로운 전극 설계 전략”이라며 “AI 데이터센터와 대규모 ESS에 적용할 수 있는 안전하고 장수명의 수계 아연이온전지 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 에너지·화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 “Interfacial engineering-enabled activation-free Zn2+-dominated kinetics in MnO2 cathodes for aqueous zinc-ion batteries”라는 제목으로 게재됐다. 논문은 2026년 8월 22일 게재 승인됐으며 8월 24일 온라인 공개됐다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연계 신진후속 사업, 산업통상자원부 기술혁신 사업, 한국전기연구원(KERI) 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.