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[IT뉴스]배터리 성능 저하시킨 양성자, 추가 에너지 저장원으로

온카뱅크관리자

2026-08-19 13:47:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 
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 <img alt="KAIST 연구팀이 수계 아연이온전지의 성능 저하를 유발하는 방해꾼으로 인식하는 양성자를 오히려 에너지 저장에 활용해 성능을 높이는 기술을 개발했다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133750079mzbq.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="HxmSHtJ6Lb" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133750079mzbq.jpg" width="658">
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 KAIST 연구팀이 수계 아연이온전지의 성능 저하를 유발하는 방해꾼으로 인식하는 양성자를 오히려 에너지 저장에 활용해 성능을 높이는 기술을 개발했다. 게티이미지뱅크 제공
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 대규모 에너지저장장치(ESS)의 차세대 배터리 후보로 주목받는 '수계 아연이온전지'에서 성능을 떨어뜨리는 요소로 여겨지는 양성자를 오히려 에너지 저장에 활용하는 기술이 개발됐다. 배터리 내 아연 이온과 양성자가 저장되는 순서를 조절해 많은 에너지를 저장하면서도 빠른 충·방전이 가능한 차세대 물 기반 배터리를 개발할 가능성이 제시됐다.
 KAIST는 박선아 화학과 교수팀이 2차원 전도성 '금속-유기 구조체(MOF)'를 활용해 배터리 내 아연 이온과 양성자를 차례로 저장하는 새로운 전극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. MOF는 금속과 유기 분자가 연결돼 미세한 구멍을 이루는 소재다. 연구결과는 국제학술지 '켐'에 지난달 7일 게재됐다.
 수계 아연이온전지는 물을 기반으로 한 전해질과 아연 금속을 사용하는 충전식 배터리다. 화재 위험이 비교적 낮고 가격이 저렴하며 친환경적이어서 대규모 에너지저장장치(ESS)에 활용할 차세대 배터리 후보로 주목받는다.
 아연 이온은 전하가 커 전극 안에서 이동 속도가 느리다. 배터리에 많은 에너지를 저장하면서 충·방전 속도를 높이기 어려운 이유다.
 양성자는 작고 빠르게 움직이지만 너무 많이 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온의 이동을 방해한다. 기존 연구는 양성자를 배터리 성능을 떨어뜨리는 요소로 여기고 반응을 억제하는 데 초점을 맞춘다.
 연구팀은 양성자 반응을 없애는 대신 아연 이온과 양성자의 저장 순서를 조절하는 방식을 활용했다. 전극의 미세한 구멍 안에 양성자를 붙잡는 '아민 작용기'를 넣어 새로운 전극 소재 'Cu₃(HHTATP)₂'를 개발했다.
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 <img alt="연구팀은 아연 이온과 양성자 저장 순서를 제어해 배터리 성능을 향상시켰다. AI 생성이미지. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133751322ssqy.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="qw00BVrNnZ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133751322ssqy.jpg" width="658">
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 연구팀은 아연 이온과 양성자 저장 순서를 제어해 배터리 성능을 향상시켰다. AI 생성이미지. KAIST 제공
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 아민 작용기는 특정 전압에서 양성자를 저장하도록 설계됐다. 양성자가 너무 일찍 반응하면 부산물이 생겨 아연 이온 이동을 방해한다.
 연구팀이 개발한 전극 소재는 전압이 높은 구간에서는 아연 이온이 먼저 저장된 후 전압이 낮아지면 양성자가 추가로 저장된다. 아연 이온과 양성자가 서로 다른 전압 영역에서 차례로 에너지 저장에 참여하는 것이다.
 새로운 전극 소재는 충·방전 속도를 16배 올린 조건에서 초기 저장 용량의 46.9%를 유지했다. 500회 이상 빠른 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 보였다.
 연구팀은 다양한 X선 분석법으로 아연 이온이 먼저 저장된 뒤 양성자가 추가로 저장되는 과정을 확인했다. 양성자를 저장했다가 다시 내보내는 과정을 반복할 수 있다는 사실도 발견했다.
 연구팀은 "다공성 전극 소재에서 고용량과 빠른 이온 수송을 동시에 구현하기 어렵다는 한계를 극복했다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다. 분자 수준의 설계로 서로 다른 이온이 저장되는 순서를 제어할 수 있음을 보여 차세대 수계 아연이온전지 개발에 새로운 방향을 제시했다는 평가다. 향후 ESS 등에 활용되는 물 기반 배터리 성능을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
 박선아 교수는 "기존에 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 방해꾼으로 여겼던 양성자를 오히려 에너지를 더 저장하는 데 활용할 수 있음을 보여줬다”며 “이번 원리를 다양한 전극 소재에 적용해 더 많은 에너지를 빠르게 저장할 수 있는 배터리를 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103129  
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 <img alt="왼쪽부터 박선아 KAIST 교수, 박근찬 포스텍 학생, 이규원 포스텍 석사졸업생, 김강민 포스텍 학생. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133752667cnuv.png" data-org-width="680" dmcf-mid="bYeegc3GeH" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/19/dongascience/20260819133752667cnuv.png" width="658">
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 왼쪽부터 박선아 KAIST 교수, 박근찬 포스텍 학생, 이규원 포스텍 석사졸업생, 김강민 포스텍 학생. KAIST 제공
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 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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